שיפור הביצועים של המעבים
ארכיטקטורת פני שטח חדשה, שפותחה באוניברסיטת MIT שבארה”ב, טומנת בחובה את הפוטנציאל לשפר את ביצועי המעבים התעשייתיים בצורה דרסטית. מוביל המחקר החדש הוא פרופסור קריפה ואראנסי מהאוניברסיטה.
המפתח לשיפור הניכר בפני השטח ההידרופוביים (דוחי-מים) טמון בשילוב של תבניות מיקרוסקופיות - משטח המכוסה בבליטות זעירות מסודרות בגודל 10 מיקרומטר (מיליונית המטר), כגודלו של תא דם אדום - וציפוי של חומר סיכה (לובריקנט) דוגמת שמן. החוקרים מצאו כי הרווחים המזעריים שבין כל בליטה שכזו מחזיקים את השמן במקום באמצעות חוק הנימיות הפיזיקאלי (העוסק בעלייתו / ירידתו של נוזל בצינורות דקים).
זירוז הייצור של מים טריים
החוקרים גילו,כי טיפות המים הנוצרות בתהליך העיבוי נעות על גבי המשטח שפיתחו במהירות הגבוהה פי 10,000 מטיפות שנעו על גבי משטחים הידרופוביים רגילים. מהירות התנועה של הטיפות מהווה את נקודת המפתח המאפשרת להן ליפול מהמשטח כך שנוצרת תחלופה של טיפות בקצב גבוה בהרבה, אלמנט המשפר את תהליך החלפת החום במעבה של תחנת הכוח בצורה משמעותית. או לחילופין, הוא מזרז באופן ניכר את קצב הייצור של מים טריים במיתקני התפלה.
באמצעות טיפול חדשני זה, “טיפות יכולות ממש לרחף על פני השטח”, מסביר פרופ’ ואראנסי, “הריחוף דומה לדיסקוס בשולחן של הוקי אוויר, או לאופן תנועתן של צלחות מעופפות בסרטים - התנהגות זו לא נצפתה מעולם במשטחים הידרופוביים, מדובר פשוט במהירויות מטורפות”.
כמות חומר הסיכה הנדרשת היא מינימאלית: היא יוצרת שכבת ציפוי דקיקה, המוצמדת למקומה בחוזקה באמצעות הבליטות. כל חומר סיכה ההולך לאיבוד מוחלף בפשטות ובמהירות באמצעות “מאגר” הנמצא בקצוות המשטח. חומר הסיכה ניתן לתכנון כך שלחץ האדים יהיה נמוך במיוחד, “כך שאפילו ניתן יהיה לשים אותו בוואקום והוא לא יתנדף”.
ללא תלות בתצורה ספציפית
יתרון נוסף של המערכת החדשה הוא בכך שהיא איננה תלויה בתצורה ספציפית של הטקסטורה הננו-מטרית על פני השטח, כל עוד קונפיגורציה זו היא בעלת הממדים הנכונים. “ניתן לייצר את המערכת בפשטות”, אומר ואראנסי. לאחר שפני השטח מקבלים את הטקסטורה הרצויה, החומר ניתן לטבילה מכאנית בחומר הסיכה ולהוצאה מיידית; מרבית חומר הסיכה פשוט מתנקז החוצה, “ורק הנוזל הנמצא בבקיעים הזעירים נשאר באמצעות כוחות קפילאריים”, מסביר אחד החוקרים. “מאחר ושהציפוי כל כך דק”, הוא מוסיף, “נדרש רק רבע עד חצי כפית של חומר סיכה על-מנת לכסות ריבוע חומר בגודל יארד רבוע (0.83 מ”ר). חומר הסיכה משמש גם לצורך הגנה על המתכת הנמצאת מתחת, מפני קורוזיה.”
כעת מתמקד המחקר של ואראנסי וצוותו בבדיקה כמותית של רמת השיפור הניתנת להשגה באמצעות הטכניקה החדשה בתחנות כוח. מאחר שטורבינות המונעות באמצעות קיטור נמצאות כיום כמעט בכל תחנת כוח מבוססת דלקים מזהמים, “גם אם מדובר בחיסכון של אחוז בודד, משמעותו של אחוז זה מבחינת מספרים היא אדירה בכל הקשור לגזי חממה והפוטנציאל להפחית את פליטתם”, מסביר ואראנסי.
הגישה החדשה
הגישה החדשה עובדת במגוון נרחב של טקסטורות על פני השטח וכן של חומרי סיכה, מדווחים החוקרים. כעת הם מנסים למצוא את הקומבינציות הטובות ביותר שיהיו אופטימאליות מבחינת עלויות הייצור ואורך החיים של המוצר. “יש הרבה מדע בכל הקשור לתכנון הטקסטורות והנוזלים”, מסביר ואראנסי.
דניאל בייסנס, מנהל המחקר לפיזיקה ומתמטיקה במעבדת ESPCI בפאריס, טוען כי הרעיון של השימוש בחומר סיכה הכלוא במשטח בעל תבנית ננו-מטרית הוא “פשוט ויפה. הטיפות מייצרות מעין גרעינים ואז מחליקות מטה בקלות. וזה עובד!”
המשך המחקר
המשך המחקר ייעשה תוך שימוש בטכניקה חדשה שפיתח ואראנסי בשיתוף מדענים נוספים מהמכון הלאומי האמריקני לתקנים ולטכנולוגיות (NIST) ומדענים נוספים מחברות פרטיות. הטכניקה החדשה משיגה תמונה ישירה ומפורטת של הממשק בין המשטח לבין הנוזל. באופן רגיל ממשק זה - המהווה מפתח להבנת תהליכי ההרטבה וההיווצרות של אגני הניקוז
(wetting and water-shedding processes) - מוסתר על-ידי הטיפות עצמן, מסביר ואראנסי, ולכן מרבית הניתוחים התבססו עד היום על מודלים ממוחשבים. בתהליך החדש, טיפות מוקפאות באופן מהיר במקומן על גבי המשטח, ואז נחתכות בחתך רוחבי באמצעות קרן יונים (ion beam), בשלב זה נעשה צילום באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק.
“שיטה זו מסתמכת על שימור הגיאומטריה של הדגימה באמצעות ההקפאה המהירה, שנעשית ע”י חנקן נוזלי בטמפרטורה של -210 מעלות צלזיוס. קצב הקיפאון הוא כה מהיר (כ-20 אלף מעלות צלזיוס לשנייה) עד כי המים והנוזלים האחרים אינם מתגבשים (crystallize) והגיאומטריה שלהם נשמרת”, מסביר אחד החוקרים.
טכניקה זו עשויה לשמש במחקר של אינטראקציות רבות נוספות בין נוזלים וגזים לבין משטחים קשים, מציין ואראנסי. “זו טכניקה חדשה לחלוטין. לראשונה, אנו מסוגלים לראות בפירוט מה קורה על גבי משטחים אלו.”
* MIT News Office