ניר כהן ממושב נטעים, תלמיד כיתה י”א בגימנסיה הריאלית ראשל”צ, זכה במדליית כסף באולימפאדת מנדלייב לכימיה שהתקיימה השנה במתכונת מקוונת בהשתתפות 25 מדינות.
אולימפיאדת מנדלייב נערכת מזה 55 שנה, וישראל הצטרפה לתחרות בשנת 2016. הכשרת הנבחרת נערכת בפקולטה לכימיה ע”ש שוליך בטכניון, בהובלת פרופ’ זאב גרוס והמאמנת הראשית ד”ר איזנה ניגל-אטינגר.
בסוף תהליך שכלל שלושה שלבי מיון ואימונים אינטנסיביים, נבחרו שמונת התלמידים שזכו להשתתף באולימפיאדה: ניר כהן, תלמיד כיתה י”א בגימנסיה הריאלית ראשון לציון; נויה דישון, תלמידת י”א באורט פסגות כרמיאל; איתמר שטייניץ, תלמיד י”ב בכפר הירוק רמת השרון; סאלח בשארה, תלמיד י”ב בעמל 1 ע”ש אבראהים קאסם, טירה; שון צ’רנייב, תלמיד י”ב באורט דנציגר קרית שמונה; נטע אייגר, תלמיד כיתה י’ בשקד דרכא טירת צבי, סימיון קוטליאר, תלמיד י במקיף ג אשדוד; ושלי סקופ, תלמידת י”ב בכפר הירוק רמת השרון.
לדברי פרופ’ זאב גרוס, ראש תוכניות הנוער בפקולטה לכימיה, “חשיבות ההשתתפות באולימפיאדת מנדלייב גולשת מעבר לחוויה ולזכות, כי היא מכינה ומחשלת את התלמידים לקראת IChO – האולימפיאדה הבין-לאומית לכימיה, שבה משתתפות 84 מדינות.”
השנה תתקיים IChO במתכונת מקוונת בין 25 ביולי ל-2 באוגוסט.
ארבעת האולימפיאדות המדעיות לנוער הן פרי מיזם משותף של מדעני העתיד – קרן מיימונידיס ומשרד החינוך, שגם מעורבים באופן עמוק בתהליכי בדיקה, הפקת לקחים והתווית מדיניות.
הגידול באוכלוסייה בישראל לאורך השנים לצד מגמה הולכת וגדלה בקרב הציבור הרחב לצאת ולטייל בחיק הטבע מגדילה בהתאם גם את הלחץ והפגיעה במערכות הטבעיות ועל החי והצומח שבהן, לרבות שמורות הטבע שנועדו לשמור עליהן. על מנת למצוא את האיזונים הנכונים בין הצורך וההכרח לשמור על הטבע ועל המינים המוגנים, בהם אלו שבסכנת הכחדה, לבין הרצון להנגישו באופן זה או אחר לאדם ולמטיילים, פועלת רשות הטבע והגנים כגוף הממלכתי האחראי על שמורות הטבע, הגנים הלאומיים ושמירת הטבע בישראל במגוון כלים ודרכים. אחד מהם הוא מיקום ותיחום חניוני לילה ושבילי טיול באזורים מוגדרים מתוך הבנה וידיעה כי ישנה השפעה משמעותית של האדם על הטבע מעצם הכניסה לשטחים טבעיים.
סוגיה זו סביב מציאת האיזון בין השניים, הטבע והאדם המטייל, עמדה בלב מחקר חדש שנערך בטכניון כחלק מעבודת המאסטר של גל גייסלר, בהנחייתו של פרופ’ אסף שוורץ, ובשיתוף עם ד”ר אגאט קולאוני. המחקר בוצע במימון רשות הטבע והגנים כחלק ממגוון סקרים ומחקרים המתבצעים בהובלתה ומטעמה בכל שנה בנושאי שמירת טבע וטיילות. הוא נערך בחניוני לילה קטנים בכל רחבי הנגב ובדק בפעם הראשונה את השפעת הלינה בהם על המערכת האקולוגית המדברית (עופות, מכרסמים, עקרבים וצומח מעוצה).
המחקר התמקד ב”חניוני שלט” – חניונים המהווים שטח מוגדר לשינה ללא תשתיות מפותחות. במחקר נערך סקר אקולוגי מקיף שבחן את אוכלוסיית העופות, המכרסמים, העקרבים והצומח ב-19 חניוני לילה ו-34 אתרי ביקורת סמוכים עם ערכיות אקולוגית גבוהה (ערוצי הנחלים) ונמוכה (מדרונות או פשטי הצפה). “רוב חניוני הלילה בנגב, שנועדו לתת מענה לצורכי הלינה של המטיילים בשטח במסגרת טיולים באזור, ממוקמים כיום בשטחים הפחות ערכיים וחשובים מבחינה אקולוגית כדי לצמצם את הפגיעה של המטיילים במערכת האקולוגית” מסביר דותן רותם, אקולוג שטחים פתוחים מרשות הטבע והגנים.
המחקר הראה שלמיקום החניונים השפעה מכרעת על עוצמת פגיעתם בסביבה – פגיעה זו תהיה גדולה יותר בחניונים הממוקמים באזורים ערכיים מבחינה אקולוגית כגון ערוצי נחלים ומיקום חניונים באזורים אלה צפוי להגדיל את השפעתם השלילית. גם היקף השימוש בחניון משפיע כמובן על פגיעתו בטבע. בעוד חניונים ברמת שימוש נמוכה מאוכלסים על ידי מינים מדבריים מקומיים, והשפעתם השלילית על הסביבה נמוכה, חניונים עמוסים מאופיינים בנוכחות גבוהה של מינים זרים שאינם שייכים למערכת המדברית. “הפעילות האנושית באותם חניונים שמותירה בשטח שאריות מזון ואשפה, מים, זיהום של רעש, אור וריח מפרה את המערכת האקולוגית המדברית והופכת למוקד משיכה למינים מלווי אדם הנמשכים לפעילות אנושית (למשל, דרור הבית, יונת הבית וסנונית רפתות), לעיתים על חשבון מיני המדבר (למשל, עפרוני מדבר, סנונית מדבר, ושחור זנב)” מסביר פרופ’ שוורץ.
“כיום מיקום חניוני הלילה באזורים הפחות ערכיים אקולוגית מוביל לכך שהפגיעה במערכת המדברית היא מצומצמת יחסית מאחר והמגוון הביולוגי באזורים אילו דל מלכתחילה” מסביר גייסלר. “עם זאת, ראינו במחקר שהיקף השימוש בחניוני הלילה הוא גורם מרכזי המשפיע על מגוון המינים, כך שהחשש לפגיעה אקולוגית בחניוני לילה עם שימוש נמוך יחסית הוא מצומצם” מוסיף גייסלר.
לדברי ד”ר אסף צוער אקולוג מחוז דרום ברשות הטבע והגנים, “ניכר כי הממצאים האקולוגיים של המחקר מצביעים כי תכנונם ומיקומם של החניונים אכן מצמצם פגיעה בטבע כפי שהיינו רוצים לראות את השילוב בין שהייה בתחום שמורת טבע ולמזעור הפגיעה בערכי הטבע שבה”
“שאלה נוספת שעלתה בעקבות הממצאים האקולוגים הייתה מה ההשפעה של מיקום החניון באזורים בעלי ערכיות אקולוגית נמוכה יותר על חווית המבקרים?” מסביר פרופ’ שוורץ.
לשם כך, ערכו החוקרים שני סקרי דעת קהל: סקר שביעות רצון בקרב 280 משתמשי החניונים וסקר עמדות מקוון שנערך בקרב 322 משתתפים המייצגים מדגם מייצג של האוכלוסייה הבוגרת בישראל. סקרים אלה בחנו את עמדות הציבור בנוגע לחניוני הלילה בנגב, לתשתיות שבהם ולמיקומם, וכיצד בעיניהם נראה חניון הלילה האידיאלי. ככלל, התברר שהמטיילים והציבור הרחב מרוצים ואפילו מרוצים מאוד מחניוני הלילה, ממיקומם ומהתשתיות שבהם. למעשה, בניסוי העדפה שנערך בסקר הקהל הרחב, נמצאו העדפות חזקות ללינה בחניונים עם תשתיות בסיסיות (שירותים ופחי אשפה) וגישה נוחה, והעדפה חלשה יותר לחניונים עם מגוון צומח גבוה או בינוני (המייצגים אזורים ערכיים). “ממצאים אילו הפתיעו אותנו”, מוסיף שוורץ, “ציפינו שמיקום החניון באזורים פחות ערכיים יוביל לירידה בשביעות הרצון של המבקרים, וכן ציפינו למצוא העדפה לחניונים מורכבים יותר מבחינת הרכב הצומח. למרות שהחוויה האישית שלי בחניוני הלילה מאוד שונה מאשר מרבית המבקרים, נראה שהאסטרטגיה של רשות הטבע והגנים במיקום וניהול החניונים מניבה תוצאות טובות גם למרבית מבקרים וגם לשמירת הטבע”.
לדברי החוקרים אפשר לחלק את קהל המשתמשים בחניונים לשתי קבוצות עיקריות; הקבוצה המחפשת בחניונים את “חוויית הטבע” ולכן תעדיף חניונים שקטים יותר באזורים עשירים בטבע ותקפיד על שמירת הטבע; והקבוצה המחפשת בחניוני הלילה את “חוויית הלינה” ולכן תעדיף חניונים נגישים יותר, מאובזרים ומרובי תשתיות. “חשוב לשמור על שתי הגישות” מסכמים גייסלר ושוורץ, “מצד אחד לפתח יותר חניוני לילה נגישים לציבור הרחב באתרים שאינם ערכיים עם תשתיות בסיסיות, אבל גם לשקול לפתח חניוני לילה בשימוש נמוך באזורים יותר מרוחקים, מבודדים וערכיים אקולוגית לאותו ציבור המחפש חווית טבע עשירה”.
המחקר מראה כי כדי להעריך את הפגיעה של חניוני הלילה בטבע חשוב שלא להתייחס אליהם כאל מקשה אחת אלא להתחשב במיקומם, ברמות השימוש הצפויות בהם ובקהל היעד הצפוי. התייחסות כזו תאפשר לשפר את תכנונם של חניונים אלה ולצמצם את הפגיעה בטבע ובה בעת לתת לציבור המטיילים את הערכים ואת היתרונות שהוא מחפש בחניוני הלילה.
שיקום עצם באמצעות רקמה מהונדסת: חוקרים בפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון מציגים בכתב העת Advanced Functional Materials הצלחה ביצירת רקמת עצם המכילה רשת כלי דם. בניסוי בחולדות נקלט שתל הרקמה בהצלחה בעצם הפגועה. את המחקר הובילו פרופ’ שולמית לבנברג וד”ר עידן רדנסקי.
פגיעות שונות בגופנו נרפאות באופן טבעי – שריטות מתאחות, פצעים נסגרים ואפילו נזקים פנימיים משתקמים לעתים ללא עזרה חיצונית; אולם במקרים רבים, למשל במקרה של טראומה או הסרת רקמה סרטנית, הפגיעה חמורה מכדי שהגוף יוכל לגבור עליה ללא התערבות רפואית.
אחת הדרכים לשקם רקמה פגועה היא השתלה ממקור עצמי (autograft) – השתלת רקמה שנלקחה מאיבר פחות חיוני בגופו של המטופל. לדוגמה, במקרה של אובדן רקמה משמעותי בפה ובלסת אפשר כיום לקצור מהרגל רקמה משולבת (עצם ורקמה רכה) ולהשתיל אותה מחדש במקום הפגוע. להשתלה ממקור עצמי יש יתרון מסוים – הגוף אינו דוחה את השתל כפי שהוא עושה במקרה של תרומה מאדם זר – אך גם ישנם חסרונות רבים להליך זה ובראשם הפגיעה באיבר שממנו נקצרת הרקמה. לכן מתנהל כבר שנים רבות מירוץ מדעי אחר פתרונות אלטרנטיביים, ואחד העיקריים שבהם הוא יצירה של מתלה (שתל) מהונדס במעבדה.
קל לדבר – קשה לעשות. כדי שהמתלה יהיה אפקטיבי אין זה מספיק שיהיה מדויק מבחינת צורתו ותכונותיו המכניות; הוא צריך להשתלב באיבר המטרה גם מבחינה ביולוגית ולהפוך לחלק ממנו – רקמה חיה אחת. כאן נכנסים לתמונה ניסיונה רב השנים של פרופ’ לבנברג בהנדסת רקמות וההיכרות של ד”ר רדנסקי עם כירורגיית הפה והלסת – ידע שרכש בלימודי הדוקטורט ברפואת שיניים.
פרופ’ לבנברג נכנסה לעולם הנדסת הרקמות בתקופת הפוסט-דוקטורט שלה ב-MIT, שם פיתחה עם פרופ’ רוברט לנגר את השריר המהונדס הראשון שהכיל כלי דם. מאז היא חוקרת ומפתחת טכנולוגיות חדשות ליצירת רקמות תלת-ממדיות להשתלה שייקלטו באופן מהיר ואפקטיבי באיבר היעד. בשנים האחרונות היא רשמה שורה של הישגים מדעיים ובהם שיפור יצירת כלי הדם ברקמה המהונדסת – שיפור המאיץ את היקלטות הרקמה בגוף – ושיקום חוט שדרה פגוע באמצעות רקמה מהונדסת. בנוסף היא פתחה את המרכז לביו-הדפסה בטכניון, הרותם את ההדפסה התלת-ממדית לטובת יצירת רקמות להשתלה.
ד”ר עידן רדנסקי מוביל בחמש השנים האחרונות כיוון חדש יחסית במעבדת לבנברג – גידול (במעבדה) של רקמה משולבת המכילה שריר ועצם ולא פחות חשוב – את מערכת כלי הדם החיונית להיקלטותה העתידית של העצם המהונדסת בגוף.
יצירת כלי דם ברקמה מהונדסת היא אתגר קשה ממילא, אך היא קשה שבעתיים ברקמת עצם בשל צפיפותה וקשיחותה. הפתרון שפיתחו חוקרי הטכניון מבוסס על צימוד בין העצם לרקמה רכה השולחת לתוך העצם את כלי הדם. כדי לבחון את ישימות הטכנולוגיה בהיבט הקליני הושתלה העצם עם כלי הדם בגופה של חיית המודל ואכן, כלי הדם של העצם המושתלת התאחו עם כלי הדם של האיבר הפגוע, המתלה הוטמע ברקמת היעד ותוך שבועות ספורים הושגה החלמה מלאה.
“המחקר של עידן מבטא את השילוב הייחודי שהפקולטה מקדמת – שילוב בין הנדסה ורפואה,” אומרת פרופ’ לבנברג. “הוא רתם הבנה מעמיקה של תהליכים ביולוגיים, ואת כלל הידע שרכש בלימודי הכירורגיה ורפואת השיניים, לפיתוח של טכניקה חדשה לשיקום רקמות פגועות. היה כאן גם שיתוף פעולה חיוני ומועיל בין פקולטות שונות בטכניון, בין ישראל לחו”ל ובין אקדמיה לתעשייה: את שתלי העצם קיבלנו מפרופ’ גורדנה ווניאק-נובקוביץ’ שבאוניברסיטת קולומביה, ומומחי חברת Bruker-Skyscan סייעו לנו רבות בדימות כלי הדם המהונדסים ורקמת העצם בתוך הרקמות המתחדשות. שיתוף פעולה זה, עם הסיוע הנדיב של קרן המחקר האירופית (ERC) והקרן הלאומית למדע (ISF), אפשרו לנו לרשום את ההישג הזה, שאנו מתכוונים להמשיך ולפתח לטובת השתלה בבני אדם.”
בתום הדוקטורט מתכנן ד”ר רדנסקי לחזור לקליניקה ולהתחיל את תכנית ההתמחות בכירורגיית פה ולסת עם אוריינטציה מחקרית במרכז הרפואי לגליל, תחת ניהולו של פרופ’ סאמר סרוג’י. שם הוא מקווה ליישם את ההישגים של המחקר הנוכחי ולהטמיע פתרונות מתחום הנדסת הרקמות כדי לתרום לטיפול במטופלים. לדבריו, “פגיעות בלסת פוגעות באופן דרמטי באיכות החיים של המטופלים. הדפסת שתלי טיטניום היא פתרון ביניים מועיל עם תוצאות סבירות, אבל עם כל ההתקדמות הטכנולוגית, הטיטניום מאפשר איחוי מכני בלבד בין השתל לאיבר הפגוע, ללא הטמעה ביולוגית. כאן אנחנו נכנסים לתמונה, והשאיפה שלנו היא לפתח במעבדה עצם שלמה שתחליף את הלסת על כל מרכיביה. נדרשת כאן המון עבודה, אבל המחקר שלנו מראה שאנחנו בדרך הנכונה, והוא רלוונטי לא רק לשיקום לסת אלא לכל תהליך כירורגי שמערב עצם ורקמה רכה.”
המחקר נתמך על ידי מענקי ERC (הנציבות האירופית למחקר, תוכנית Horizon 2020), מענק ISF (הקרן הלאומית למדע) ו-NIH (המכונים האמריקאים לבריאות).
למאמר ב- Advanced Functional Materials לחצו כאן
כיצד משפיעות תכונות המעברים האקולוגיים על השימוש בהם על ידי בעלי חיים שונים? חוקרים מהטכניון ומאוניברסיטת חיפה בחנו את הנושא על ידי סקירת נתונים שנאספו ממחקרים ברחבי העולם וניתוחם בשיטת מטה-אנליזה.
הכבישים מהווים מחסום פיזי לתנועת בעלי חיים, וגם מחסום התנהגותי המרתיע אותם וקוטע את יכולת התנועה בשטח הפתוח. יונקים גדולים כגון צבאים, חזירי בר ותנים חשופים בעת חציית הכביש לסכנת דריסה, ואף מסכנים את הנוסעים בכלי הרכב המתנגשים בהם. גם בעלי חיים קטנים ובהם מכרסמים ויונקים קטנים אחרים, עופות, זוחלים ודו-חיים נאלצים לחצות את הכבישים תוך חיפוש מזון או בני זוג לרבייה, ואף הם נדרסים במקרים רבים. לצורך פתרון הבעיות הללו, דרושה בנייתם של מעברים אקולוגיים.
לדברי פרופ’ אסף שוורץ מהפקולטה לארכיטקטורה ובינוי ערים בטכניון, “מעברים אקולוגיים הם מבנים המאפשרים חצייה של תשתיות תחבורה על ידי בעלי חיים. הם מהווים פתרון חשוב לבעיית הכבישים ולהשפעתם השלילית על אוכלוסיות הבר.” למרות חשיבותם הרבה לשמירת הטבע ועלותם הגבוהה, הידע הקיים בנוגע להשפעת תכונותיהם של מבנים אלו וסביבתם על השימוש בהם על ידי מינים שונים מוגבל מאוד. זאת משום שהמחקרים בתחום זה מוגבלים לבחינת המעברים האקולוגיים הקיימים באזור המחקר בלבד, ולהרכב המינים המקומי.
בכדי להתגבר על מגבלה זו ערכו חוקרים בטכניון ובאוניברסיטת חיפה מחקר שכלל סקירה שיטתית של הספרות המדעית והמקצועית בתחום זה מרחבי העולם וניתוח סטטיסטי (מטה-אנליזה) כדי להסיק מסקנות כלליות מתוך תוצאות מחקרים אלו. המחקר הוא חלק מעבודת הדוקטורט של דרור דנבום בהנחייתם של פרופ’ אסף שוורץ מהטכניון וד”ר אבי בר-מסדה מאוניברסיטת חיפה, אורנים. לדברי דנבום, “האתגר בתכנון של מעברים אקולוגיים הוא ריבוי הגורמים שיש לקחת בחשבון – מידות המבנה, החומרים שמהם הוא עשוי, צורתו, גידור וצמחייה בסביבתו, נוכחות של בני אדם ועוד. כדי לתכנן את המעבר האקולוגי ביעילות יש להבין כיצד משפיע כל אחד מגורמים אלו על הפוטנציאל לשימוש במבנה על ידי המינים השונים, ולקחת בחשבון כי כל מין מגיב בצורה שונה לאותם גורמים.”
במסגרת סקירת הספרות זיהו החוקרים כ-270 מאמרים המייצגים את הידע שנצבר בנושא זה בארבעה עשורים של מחקר מדעי. מתוך מאמרים אלו נאספו תוצאות מחקריות עבור כ-80 מינים המייצגים קבוצות שונות – טורפים גדולים וקטנים, אוכלי עשב, יונקים קטנים אחרים, זוחלים ודו-חיים. החוקרים גילו השפעות רבות, בחלקן מפתיעות, של סוג המבנה, תכונותיו וסביבתו על הסיכוי לשימוש בכל קבוצות המינים. המחקר הוביל לכמה מסקנות מרכזיות החשובות לתכנון של מעברים אקולוגיים. נמצא בין השאר כי כשמדובר ביונקים גדולים כמו צבאים, מעברים אקולוגיים המשמרים שטח פתוח העובר מתחת לגשר דרכים גבוה עדיפים על מעברים עיליים העוברים מעל הכביש ועל מעברים תחתיים העוברים בצינור רחב או מנהרה. החוקרים הראו גם כי לגידור של השטח המוביל אל המעבר האקולוגי יש השפעה חיובית ברוב המקרים על השימוש במבנה. מסקנה חשובה נוספת היא כי למבנים המיועדים לשימוש חיות בר בלבד יעילות גדולה הרבה יותר מזו של מבנים המשמשים לצרכים נוספים כגון ניקוז מים או מעבר של כלי רכב חקלאיים, במיוחד לטורפים גדולים כמו זאבים הנרתעים מנוכחות האדם.
ממצא מרכזי הנוגע לתכנון המבנה הוא היתרון הברור של חומרים טבעיים כגון עץ או סלעים על פני בטון ומתכת, במיוחד כשמדובר במעברים לזוחלים ודו-חיים; צורות קשתיות או מעוגלות על פני מעבר ריבועי; וכן כיסוי צמחייה בשטח המוביל למעברים התחתיים, שכן זו מעודדת את השימוש על ידי אוכלי עשב ומינים נוספים. ממצא מפתיע העולה מהמחקר הינו כי מעברים אקולוגיים צרים וארוכים ולא דווקא רחבים וקצרים, עדיפים כאשר מדובר ביונקים קטנים, למשל קיפודים. “ממצאים אלו,” מסכם דנבום, “יספקו לגופי התכנון ושמירת הטבע בישראל ובעולם בסיס מדעי חיוני לתכנון מעברים אקולוגיים יעילים שיאפשרו את המשך קיומם של מינים רבים שבית גידולם נקטע על ידי הכבישים. ההתייחסות למכלול הגורמים האמורים בתהליך התכנון והניהול של מבנים אלו תבטיח את מימוש מטרתם של המעברים האקולוגיים – שמירת הטבע והסביבה.”
לדברי פרופ’ שוורץ, “המחקר הנוכחי הוא חלק מסדרה של מחקרים הנערכים במעבדה לחקר האדם והמגוון הביולוגי בפקולטה לארכיטקטורה בטכניון כדי להבין טוב יותר כיצד אפשר לתכנן שטחים פתוחים שיתפקדו כמסדרונות אקולוגיים יעילים המאפשרים מעבר של מינים בין שמורות הטבע.”
למאמר ב-Science of The Total Environment לחצו כאן
חוקרים מהטכניון ומאוניברסיטת בן-גוריון מציגים ממצאים חדשים הנוגעים להמרת אנרגיה סולרית לחשמל ולדלק מימן. במסגרת המחקר שהתפרסם ב- Nature Materials פותחה שיטה חדשנית למדידת יעילות ההמרה של פוטונים למטענים חשמליים ניידים (אלקטרונים וחורים) במוליכים למחצה. בשיטה זו הם גילו גורם לא מוכר המגביל את יעילות ההמרה של פוטונים לזרם חשמלי בתחמוצת ברזל (המטייט). הגורם שהתגלה צפוי להשפיע על יעילותם של חומרים נוספים, בפרט בחומרים בעלי אלקטרונים מקושרים (electron correlated materials), שיש בהם אינטראקציה חזקה בין האלקטרונים לאטומים בגביש. השיטה שפותחה צפויה להניב ידע חדש על האינטראקציה בין אור לחומר בחומרים אלה ולסייע בפיתוח חומרים חדשים לתאים סולריים בעלי מאפיינים ייחודיים.
רקע:
יתרונותיה של האנרגיה הסולרית – אנרגיה שמקורה בשמש – ידועים כבר שנים, והניסיון לרתום אותה לצורכי האדם הוביל לפיתוחים רבים ובהם תאים סולריים פוטו-וולטאיים. התקנים אלה קולטים את חלקיקי האור (פוטונים) בחומר מוליך-למחצה, ואלה מוסרים את האנרגיה שלהם למטענים חשמליים ניידים המוכרים כאלקטרונים וחורים ומקנים להם מתח חשמלי המאפשר להם לבצע עבודה (אנרגיה חופשית). עבודה זו באה לידי ביטוי כאנרגיה חשמלית בתאים פוטו-וולטאיים, ובאופן עקרוני תאים שכאלו עשויים לספק את כל צורכי האנרגיה שלנו.
הקושי העיקרי במעבר לאנרגיה סולרית בת קיימה נובע מהזמינות המשתנה של אור השמש לאורך שעות היממה והתלות של אור זה בעננות ובאובך. תפוקת החשמל של תא פוטו-וולטאי נגזרת מעוצמת האור הפוגע בו, ולכן היא משתנה משעה לשעה, מעונה לעונה, ובימים רבים בשנה היא מוגבלת על ידי עננים ואובך. כדי שיהיה אפשר להסתמך על אנרגיה סולרית כמקור אנרגיה מרכזי היכול לספק את הדרישות לחשמל, חום, דלק וצרכים אחרים בכל שעות היממה ובכל עונות השנה יש צורך בהמרתה לאנרגיה הניתנת לאחסון (אגירה) והמרה מחדש לחשמל, חום ודלק בהתאם לדרישה. כך, למשל, אפשר לאגור את החשמל המופק בתאים סולריים פוטו-וולטאיים בסוללות (בטריות) נטענות, ולהמירו בחזרה לחשמל בשעת הצורך. אגירה בסוללות מייקרת את עלות החשמל הסולרי ומתאימה לשימוש בטווח של יממה לכל היותר. אגירה ארוכת טווח, למשל מעונה לעונה, דורשת פתרונות טכנולוגיים אחרים, וכך גם צורכי אנרגיה נוספים, מלבד הפקת חשמל, כגון חימום ביתי ותעשייתי, דלק לתחבורה ועוד.
פתרון שכזה ניתן למימוש באמצעות תאים פוטו-אלקטרוכימיים הפועלים באופן דומה לתאים פוטו-וולטאיים, אך במקום חשמל הם מייצרים מימן על ידי פיצול מולקולות מים לשני מרכיביהם – חמצן ומימן. אלה נאגרים לשימוש עתידי, בין אם לייצור חשמל ובין אם להנעת כלי רכב חשמליים המונעים במימן באמצעות תא דלק המחליף את מערך הסוללות בכלי רכב חשמליים כדוגמת טסלה ואחרים. מימן הנוצר באופן זה מכונה מימן “ירוק” והוא מהווה תחליף אידאלי לדלק פחמימני שכן הפקתו והשימוש בו אינם מלווים בפליטת גזי חממה או כל דבר אחר מלבד מים זכים.
תאים פוטו-אלקטרוכימיים להמרת אנרגיה סולרית למימן “ירוק” מעסיקים קבוצות רבות של מחקר ופיתוח באקדמיה, אולם טכנולוגיות אלה עדיין לא הבשילו ליישום. זאת בעיקר בשל מגבלות החומרים היכולים לשמש בהם. בדומה לתאים הפוטו-וולטאיים, גם כאן לב ליבו של התא עשוי מחומר מוליך-למחצה הקולט את הפוטונים וממיר את האנרגיה שלהם (אנרגיה של קרינה) לעבודה, אלא שכאן העבודה מתבטאת באנרגיה כימית האצורה בקשרים הכימיים של מולקולות המימן והחמצן הנוצרות מפיצול מולקולות המים. לשם כך, המוליך-למחצה טבול באלקטרוליט מימי בעל תכונות קורוזיביות שלא מאפשרות שימוש במוליכים למחצה רגילים כמו הסיליקון המשמש בתאים פוטו-וולטאיים. מגבלות אלה ואחרות מצריכות מוליכים-למחצה אחרים בעלי מאפיינים ייחודיים שאינם בנמצא ברגיל.
ממצאי המחקר וחשיבותם:
מזה למעלה מעשור, פרופ’ אבנר רוטשילד וקבוצת המחקר שלו בטכניון חוקרים מינרל הנקרא המטייט (hematite) והוא סוג של תחמוצת ברזל בעלת הרכב כימי דומה לחלודה, בעל קשת המאפיינים הדרושים לתא פוטו-אלקטרוכימי לפיצול מים למימן וחמצן. מחקר זה הוביל לפריצות דרך מדעיות וטכנולוגיות שפורסמו בכתבי עת מדעיים מובילים מקבוצת Nature ואחרים. למרות השיפורים שהושגו בתכונות החומר ומבנה התא הפוטו-אלקטרוכימי, יעילות ההמרה של פוטונים לזרם חשמלי בהתקנים מבוססי המטייט מגיעה לפחות ממחצית הגבול התיאורטי לחומר זה. לשם השוואה, תאים פוטו-וולטאיים מסיליקון מגיעים קרוב ל- 100% מהגבול התיאורטי של סיליקון.
לאחר שנים של מחקר שבו הפכו החוקרים כל אבן בדרך לשיפור תכונות החומר ומבנה התא, הם הגיעו למסקנה שרב הנסתר על הגלוי וחייב להיות גורם נעלם ייחודי להמטייט שמונע הגעה לגבול התיאורטי המוכר לחומר זה. במחקרם האחרון, שפורסם זה עתה בכתב העת המדעי Nature Materials, הם חושפים ומגלים את הגורם הנעלם הזה, ומציעים שיטה חדשה לאיפיונו בהמטייט ובחומרים אחרים. בניגוד לסיליקון ומוליכים למחצה אחרים המשמשים בתאים סולריים והתקנים אופטו-אלקטרוניים אחרים, בהם הפוטונים הנבלעים בחומר מייצרים מטענים חשמליים ניידים (אלקטרונים וחורים) היכולים לנוע בחופשיות וליצור זרם חשמלי, חלק ניכר מהפוטונים המגיעים להמטייט נבלעים באופן שונה באמצעות מעברים אלקטרוניים מקומיים בהם האלקטרון עובר ממצב אנרגטי (הנקרא אורביטל) אחד לאחר באותו האטום עצמו או בקשר הכימי בין שני אטומים שכנים. מאחר שאלקטרון שכזה נשאר ממוקם באתר ספציפי בגביש, אין לו יכולת תנועה (ניידות) ולכן אין הוא יכול לתרום ליצירת זרם חשמלי. לכן, הפוטונים הנבלעים באופן זה “מתבזבזים” ואינם תורמים ליצירת זרם חשמלי (בתא פוטו-וולטאי) או מימן (בתא פוטו-אלקטרוכימי).
בשל תכונות כימיות ופיזיקליות ייחודיות המתבטאות, בין השאר, באינטראקציה חזקה בין האלקטרונים לאטומים בגביש, חלק ניכר (כמחצית) מהפוטונים הנבלעים בהמטייט יוצרים מעברים אלקטרוניים מקומיים מסוג זה. תכונה זו אופיינה לראשונה במחקר הנוכחי כתלות באורך הגל של הפוטונים הפוגעים בחומר, בהמטייט ובכמה תחמוצות מוליכות למחצה אחרות שבהן התופעה נמצאה שולית בהשוואה להמטייט. עם זאת, החוקרים מציינים כי מדובר בתופעה לא מוכרת ולכן קרוב לוודאי שהיא קיימת גם במוליכים למחצה אחרים. עצם חשיפת התופעה והתוויית דרכים לאיפיונה מהווה פריצת דרך מדעית בחקר האינטראקציה בין אור לחומר בחומרים בעלי אלקטרונים מקושרים (correlated electron materials), ויש לה חשיבות מעשית בחקר חומרים חדשים לתאים סולריים בעלי מאפיינים ייחודיים כדוגמת התאים הפוטו-אלקטרוכימיים לפיצול מים למימן וחמצן, נושא המחקר הנוכחי.
את המאמר שהתפרסם בכתב העת היוקרתי Nature Materials הובילו חוקרים מקבוצת המחקר של פרופ’ אבנר רוטשילד מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים בטכניון, ובהם ד”ר דניאל גרוה (מדען בכיר במחלקה להנדסת חומרים באוניברסיטת בן-גוריון בנגב), ד”ר דויד אליס והדוקטורנטית יפעת פיקנר מתוכנית האנרגיה ע”ש גרנד בטכניון (GTEP), בשיתוף חוקרים מהמכון לחקר דלקים סולריים בראשותו של Prof. Roel van de Krol ב- Helmholtz-Zentrum Berlin. במחקר תמכו מוקד המחקר בנושא פוטוקטליזטורים ופוטואלקטרודות לייצור מימן בתכנית לתחליפי נפט לתחבורה של הקרן הלאומית למדע (ISF), מרכז האנרגיה ע”ש גרנד בטכניון (GTEP) ומכון ראסל ברי למחקר בננוטכנולוגיה (RBNI).
למאמר ב- Nature Materials לחצו כאן
חוקרים מהטכניון פרסמו בכתב העת Clean Water מקבוצת Nature טכנולוגיה גמישה וסלקטיבית לטיהור מים לצורכי חקלאות. את המחקר, שנערך בתמיכת תוכנית האנרגיה ע”ש גרנד בטכניון, הובילו פרופ’ צ’רלס דיזנדרוק מהפקולטה לכימיה ע”ש שוליך, פרופ’ מתי סאס מהפקולטה להנדסת מכונות והדוקטורנט אריק גאיס והשתתפו בו הדוקטורנט עמית שוקרון והסטודנט לתואר שני ינקה צ׳ן.
טיהור מים לצורכי חקלאות הוא אתגר טכנולוגי מורכב שחשיבותו רבה במיוחד בישראל, שבה רוב מי השופכין מושבים לצורכי חקלאות ורוב הגידולים החקלאיים בנגב מבוססים על מים כאלה. חוקרי הטכניון מסבירים כי למרות היתרונות שבטיהור ממברנלי של מים – ניקוי באמצעות סינון – שיטה זו אינה מאפשרת סילוק סלקטיבי של חומרים מזיקים כגון נתרן מבלי לסלק חומרים החיוניים לגידול החקלאי. נתרן בכמויות גדולות הוא אחד האויבים של הגידול החקלאי, של איכות הקרקע ומי התהום ושל בריאות האדם. המלחת הקרקע בנתרן גורמת לשורה של נזקים חקלאיים ובהם פגיעה בעלים, היווצרות קרחות בשדה, ובמקרים חמורים הרס הקרקע והשבתתה כקרקע חקלאית.
שני מדדים חשובים בהערכת פוטנציאל הנזק של הנתרן במים הם המוליכות החשמלית של המים וה-SAR – ריכוז הנתרן במים ביחס לריכוזי סידן ומגנזיום. לצמחים שונים יש עמידות שונה ל-SAR, אולם ככלל, ככל שערכו של משתנה זה גבוה יותר, הנזק הפוטנציאלי גבוה יותר. לכן פעלו החוקרים להפחתתם של SAR ושל מוליכות המים, ולשם כך הם פיתחו טכנולוגיה סלקטיבית המסלקת – בניגוד לטיפול באמצעות ממברנות – בעיקר נתרן.
גדולתה של הטכנולוגיה החדשה טמונה כאמור בסלקטיביות שלה – היא אינה מוציאה מן המים מינרלים חיוניים כגון סידן ומגנזיום. מינרלים אלה חשובים לא רק לגידול החקלאי אלא גם לבריאות האדם, ולכן נהוג להוסיפם למים מותפלים. הטכנולוגיה החדשה מבוססת על CDI ובעברית “קבל יינון”. הקונספט הבסיסי הוא אלקטרודה סלקטיבית ליונים – אלקטרודה שתספח רק את המינרלים הלא רצויים. המים זורמים במערכת בין שתי אלקטרודות תחת זרם חשמלי המושך את היונים שבמים, ועמם את המינרלים, לתוך האלקטרודות, שם הם מוחזקים בתוך חללים ננומטריים (nanopores). זוהי הדגמה ראשונה של תאי CDI המפגינים יכולת לטיהור מבוקר, מדויק ומתמשך של מים מנתרן, וזאת תוך צריכת חשמל נמוכה יחסית (0.38 קוט”ש לקוב מים).
אף שהניסוי במערכת נערך על נתרן וסידן – סילוק הנתרן מהמים והשארת הסידן בתוכם – מדובר בטכנולוגיה גמישה שאפשר להתאימה למינרלים אחרים, בהם מינרלים “טובים” כגון מגנזיום ומינרלים “רעים” כגון עופרת, קדמיום, ארסן ובורון. להערכת החוקרים אפשר יהיה להתאימה גם לצרכים לא חקלאיים, למשל לטיהור מים לטובת שתייה ולהפקת חומרים יקרי ערך (כגון ליתיום לשימוש בסוללות ליתיום יון) מהמים. אף שהמחקר נערך במערכת מוקטנת, הם סבורים שאיכויות הסינון יישמרו גם במערכות מסחריות שייבנו על פי אותו מודל.
למאמר ב- Clean Water מקבוצת Nature לחצו כאן
ד”ר דיקר, שנולד בבית חולים השרון, החל לעבוד בו כבר בגיל 16 כסניטר. אביו היה אז מנהל בית החולים ואמו טכנאית אק”ג. בתום לימודי הרפואה בטכניון חזר ד”ר דיקר לבית החולים, הפעם כרופא, ושם התקדם עד לניהול מחלקה פנימית ד’.
בשנה שעברה הוסבה המחלקה שבראשותו למחלקת קורונה. ב-21 במרץ 2020 מתה אמו ממחלת הקורונה, ואת ה”שבעה” עשה ד”ר דיקר במחלקה, מתוך מחויבות לחולים שבאחריותו.
ד”ר דיקר, 58, נשא ונושא בתפקידים ציבוריים רבים ובהם נשיא הפדרציה האירופית לרפואה פנימית, יו”ר החברה הישראלית לחקר וטיפול בהשמנת יתר ויו”ר משותף של כוח המשימה האירופי לטיפול בהשמנה.
חוקרים מהטכניון ומאוניברסיטת ציריך פרסמו בכתב העת Science גילוי דרמטי הנוגע למאפייני המוח של ראשוני המהגרים האנושיים מאפריקה לאירופה. עד כה היה מקובל לחשוב שפרטים אלה, שהיגרו מאפריקה לאיזור הקווקז לפני כ-1.8 מיליון שנה, היו מצוידים במוח קטן אך מודרני; המחקר הנוכחי מוכיח אחרת – מוחם היה דומה יותר למוחם של שימפנזים.
ד”ר אסף מרום, ראש המעבדה לאנטומיה ולאבולוציה של האדם בפקולטה לרפואה ע”ש רפפורט, השתתף במחקר בתקופת היותו פוסט-דוקטורנט של המחברים הראשיים של המאמר, פרופ’ מרסיה פונסה דה-לאון ופרופ’ כריסטוף זוליקופר מהמכון לאנתרופולוגיה באוניברסיטת ציריך.
לדברי ד”ר מרום, “עד כה נהוג היה לחשוב שמוחם של ראשוני המהגרים מאפריקה לאירופה אומנם היה קטן משלנו, ועם זאת מבחינה אנטומית-מבנית דומה יותר למוח של האדם המודרני מאשר למוח של שימפנזה. המחקר הנוכחי מפריך את ההנחה הזו – המוח ההוא לא היה רק קטן משלנו אלא גם דומה יותר למוח השימפנזה; אנליזה של מבנה קליפת המוח באיזור האונה הפרונטלית מראה שהיא היתה דומה יותר לאונה הפרונטלית הקופית מאשר לאונה הפרונטאלית האנושית המודרנית. באונה הפרונטלית של האדם מצויים מרכזים נוירואנטומיים שאנחנו מייחסים להם את היכולות הגבוהות של האדם: תכנון וקבלת החלטות, דיבור, שימוש בכלים, תקשורת חברתית מורכבת וכו’.”
התגלית מפריכה גם את האמונה שבני האדם הקדמונים יצאו מאפריקה בזכות אותו מעבר למוח המודרני; על פי הממצאים החדשים הם הצליחו לנדוד מאפריקה ולשרוד בדרך למרות העדרו של מוח כזה. ד”ר מרום מדגיש כי המונח “מוח פרימיטיבי” אינו מונח מזלזל; לאותם קדמונים היו יכולות מוחיות רבות שאפשרו להן להתגונן, לקיים חיי קהילה ולעשות שימוש בסיסי בכלים מסוימים. “אנחנו מסבירים תהליכי התפתחות כאלה כ’קו-אבולוציה’ – זו עדות לכך שגם פיתוח הכלים מילא תפקיד באבולוציה של המוח האנושי – לא רק כתוצאה של הכישורים הקוגניטיביים אלא גם כסיבה להם.”
חקר מוחותיהם של מינים קדומים הוא אתגר קשה מפני שמוחות אינם מתאבנים, ולכן אנו נאלצים להסתמך על ראיות עקיפות כגון שרידי גולגלות. במחקר הנוכחי שוחזר המוח על סמך סריקות CT מתקדמות, ברזולוציה גבוהה, שנערכו בסינכרוטרון – מאיץ החלקיקים בגרנובל שבצרפת. הסריקות בוצעו על חמש גולגלות שנמצאו בעשור הקודם בכפר הגאורגי הקדום דמַנִיסִי – העדות הקדומה ביותר לנוכחות אנושית מחוץ לאפריקה, המתוארכת לתקופה שלפני כ-1.8 מיליון שנה.
על סמך הסריקות האמורות שחזר ד”ר מרום את האנדוקסט (endocast) – הדפוס הפנימי של הגולגולת. חשיבותו של האנדוקסט בכך שהוא שופך אור על הנוירואנטומיה של האדם, כלומר על מבנה המוח עצמו. סריקות CT מספקות תמונות חתך (פרוסות) של המוח, ולדברי ד”ר מרום השחזור הצריך עבודה איטית ומדוקדקת שבה עוברים על חתכי הסריקה וכך משחזרים את המבנה התלת-ממדי של האנדוקסט. התוצאה: שחזור של המוח, לרבות חריצים וקפלים של קליפת המוח ואפילו רשת כלי הדם שבה.
“ההליכה על שתיים החלה לפני כ-2.5 מיליון שנה, אבל לאדם של אז היה מוח קטן ופרימיטיבי. אחת משאלות המחקר החשובות באבולוציה של האדם היא תיארוך של השינויים הנוירואנטומיים ההופכים את המוח ממוח פרימיטיבי, הדומה לזה של שימפנזה, למוח מודרני. כאמור, עד כה נהוג היה לחשוב שהשינויים האלה התרחשו באפריקה לפני ההגירה הראשונה לאירופה, אולם אנחנו הראינו שההנחה הזאת שגויה; אותם מהגרים מלפני 1.8 מיליון שנה היו בעלי מוח פרימיטיבי.”
מסקנת החוקרים היא שהתפתחות המוח המודרני התרחשה בתקופה מאוחרת יותר, לפני 1.7-1.5 מיליון שנה, ואז כבר התחוללו הגירות נוספות מאפריקה לאסיה. במחקר הבא מתכוונים החוקרים לבדוק את האפשרות שהמהגרים החדשים, בעלי המוח המודרני, פגשו את צאצאי המהגרים הקדומים וקיימו איתם אינטראקציות כלשהן.
ד”ר אסף מרום (MD, PhD) הצטרף לסגל הפקולטה לרפואה לאחר שסיים את לימודי הרפואה ואת הדוקטורט באנתרופולוגיה פיזית באוניברסיטת תל אביב ופוסט-דוקטורט במכון לאנתרופולוגיה באוניברסיטת ציריך. הוא ראש המעבדה לאנטומיה ואבולוציה של האדם, המשלבת שיטות דימות (imaging) ושיטות חישוביות לבניית מודלים שבאמצעותם אפשר לשאול מתי, למה וכיצד נהיו בני האדם. ד״ר מרום מלמד אנטומיה בפקולטה לרפואה ובפקולטה להנדסה ביו-רפואית בטכניון.
“רציתי מאוד להשתתף בקמפיין הזה, שהוא מין תחרות, אבל בנאס”א התעקשו שאני חייבת לגייס צוות של שלושה אנשים. הסברתי להם שלא הצלחתי לגייס שותפים אבל זה החלום שלי, ובסוף הם השתכנעו והרשו לי להשתתף. כך יצא שהייתי הצוות היחיד של אדם אחד וגם הישראלית היחידה בין 116 קבוצות מכל רחבי העולם.”
נעמה, שגדלה בדיר אל-אסד שבגליל ומתגוררת כיום בחיפה, משתתפת במחקר במעבדתו של פרופ’ דן אדם בטכניון, ושם היא למדה לעשות סגמנטציה – חלוקה של תמונות למקטעים. המיומנות הזאת, היא אומרת, סייעה לה באיתור האסטרואידים. “קיבלתי מנאס”א סט של תמונות וסרטונים והייתי צריכה למצוא בתוכם אסטרואידים חדשים. את ה’צוות’ שלי כיניתי ANI (אסיל נעמה ישראל) והאסטרואידים שגיליתי ייקראו ANI1801 ו-ANI2001.
