קטגוריה: Uncategorized

ביום חמישי, 9 בפברואר, 2023, י”ח בשבט התשפ”ג, התקיים בחצר הקמפוס ההיסטורי של הטכניון, בו פועל כיום מדעטק – המוזיאון הלאומי למדע, טכנולוגיה וחלל בחיפה, טקס נטיעות חגיגי בהשתתפות נשיא הטכניון פרופ’ אורי סיון, ויו”ר הוועד המנהל של מדעטק מר ליאון רקנאטי, לציון 100 שנים לנטיעת עצי הדקל ההיסטוריים על ידי פרופ’ אלברט איינשטיין ורעייתו אלזה. טקס הנטיעה ההיסטורי התקיים ב-11.2.1923 בחצר הקמפוס ההיסטורי של הטכניון בחיפה.

לצד העץ החדש הוצב שלט, בו נכתב בשלוש שפות, עברית, אנגלית וערבית:

“עץ זה ניטע על ידי נשיא הטכניון, פרופ’ אורי סיון, ויו”ר הוועד המנהל של מדעטק, מר ליאון רקנאטי, ביום י”ח בשבט התשפ”ג, 9 בפברואר 2023. אירוע הנטיעה החגיגי ציין 100 שנים לנטיעת עצי הדקל בחצר הקמפוס ההיסטורי של הטכניון על ידי פרופ’ אלברט איינשטיין ורעייתו אלזה. עצים אלה מבטאים את תפקידו ההיסטורי של הטכניון בהקמתה של מדינת ישראל ובשגשוגה, ולתפארת 100 השנים הבאות.”

“תולדות הטכניון שזורות באופן הדוק בחייו של פרופ’ אלברט איינשטיין, מגאוני העם היהודי והאנושות בכללה,” אמר נשיא הטכניון פרופ’ אורי סיון, שנטע את העץ יחד עם נכדיו: שקד, כרמל ועופרי. “פרופ’ איינשטיין עשה רבות למען הטכניון עוד לפני שזה פתח את שעריו, וביקורו לפני 100 שנה בדיוק נועד להביע תמיכה במוסד שעתיד לשנות את פניו של היישוב היהודי ולעצב את דמותה של המדינה העתידה לקום עשרים וחמש שנים אחר כך. כעת, לאחר מאה שנים, אנו מתרגשים לטעת עץ אלון יחד עם דור העתיד ולתפארת מאה השנים הבאות.”

מר ליאון רקנאטי: “אני וחבריי לוועד המנהל וצוות ההנהלה של מדעטק גאים בעשייתנו, המעבירה את חווית היופי והחוכמה שבמדע למאות אלפי מבקרים מדי שנה ובעיקר לצעירים ביניהם, הזוכים להתנסות וליהנות, להבין ולחקור, ובטוחני, שחלקם סופגים מההשראה ומתרגמים אותה לאחר מכן לבחירה במקצועות המדעים ולפיתוח קריירה בתחום. השילוב בין החוויה המוזיאלית והצגת תערוכות בנושאים מדעיים מרתקים, לאגף החינוך וההתנסו

יות במעבדות, מייצר חוויה שלימה ובלתי אמצעית המעודדת לגעת, להתנסות ובעיקר לצאת עם התובנה, שהמדע הוא יומיומי, הוא נמצא ונוגע בכל תחום, הוא הקסם, התמצית וההוויה של הקיום שלנו”.

טקס הנטיעות התקיים בהשתתפותם של ילדי כיתות ה’-ו’  מבית הספר הריאלי בהדר.

בביקורו ההיסטורי בשנת 1923 פגש פרופ’ איינשטיין ילדים יהודים, שגדלו וחיו בארץ ישראל, וכך כתב ביומנו: “בפעם הראשונה בחיי אני רואה כל כך הרבה ילדים עבריים ואני מביע לכם את תודתי העמודה על העונג שגרמתם לי”. אילו פגש היום ילדים ישראלים ובני הדור הצעיר בארץ, בוודאי היה חש גאווה.

תלמידי הריאלי הקריאו בטקס מכתבים לילדי העתיד, שיחיו בעוד מאה שנה וייהנו מצילו של העץ הזה. נעמי יובל מכיתה ה’ בבית הספר הריאלי בהדר כתבה “אני גאה לעמוד כאן, לצד עץ הדקל שנטע אלברט איינשטיין, האיש שנחשב לגאון הגדול ביותר בכל הזמנים, בחצר המדעטק שבבית ספרנו.”

נועה קרימר מכיתה ו’ כתבה: “הלוואי ויהיו אלה מאה שנים שלוות, בלי מלחמות, רק הצלחות, רק צחוק של ילדים, קולות של שמחה וללא דמעות”.

ביקורו הראשון של פרופ’ איינשטיין בטכניון התקיים בשבט תרפ”ג, 1923. בסיקור בעיתון “דאר היום”  מתאריך 14.2.1923 נכתב, כי בקבלת הפנים החגיגית שהתקיימה לבני הזוג בחיפה השתתפו כ-1,500 איש: “בשעה 11 לפני-הצהרים נערך על ידי ועד העדה קבלת-פנים עממית בחצר הטכניקום [הטכניון] ומן השמים עזרו וקבעו יחס יפה אל האורח שאחרי הגשמים של יום הששי טהרו השמים ושמש חצי אביבית להטה על פני הארץ כאילו באה להבליט לפני האורח שרגלו האחת עדין בגולה והשניה דורך על אדמת ארצנו.”

בבית הספר הריאלי סיפר פרופ’ איינשטיין, כי באוניה בדרך לארץ ישראל נשברה מקטרתו והוא לא הצליח לתקנה לבדו, משום ש”אצלנו היהודים הכל התרכז בהמוח ובידים לא נשאר דבר”. לכן, הוסיף איינשטיין, “בבניין הטכניקום הזה רואה אני את הרצון לפ[י]תוח הידיים.” הוא הוסיף, כי רעיון הטכניקום קרוב ללבו והוא מקווה לעזור בקידומו ככל האפשר.

לפני חמישים שנה השלימה דפנה שאשא דוקטורט בפקולטה למתמטיקה בטכניון בהנחייתו של פרופ’ אבי ברמן. כעת, 35 שנים לאחר מכן, נכדה בן ה-24 נעם קרופניק הוא סטודנט למדעי המחשב ומתמטיקה במסגרת תוכנית הטכניון למצוינים ומתחיל להשתתף במחקר בהנחייתו של פרופ’ ברמן.

דפנה שאשא נולדה בחיפה להורים שעלו מרוסיה. בתיכון היא בחרה במגמת ספרות אבל בהמשך השתקעה באהבתה הגדולה – מתמטיקה. לאחר התואר השני היא המשיכה ללימודי דוקטורט, אך אלה הופסקו מכיוון שחשה שהיא זקוקה לזמן כדי לטפל בילדיה. לאחר 10 שנים דפנה חזרה לטכניון ללימודי הדוקטורט, בהנחיית הפרופסורים אבי ברמן ודניאל הרשקוביץ, והשלימה אותו. היא לימדה במכללת תל חי ושם, לדבריה, הבינה לראשונה כמה חשובה המתמטיקה. חשובה למה? “להכול. הכול מבוסס על מ

תמטיקה, ולכן ידע מתמטי הוא בסיס חיוני לתחומים רבים במדע ובהנדסה.”

“גדלתי במשפחה של לימודים, חשיבה והמון מתמטיקה,” מספר נעם, “והמתמטיקה עניינה אותי מגיל צעיר.” בכיתה ג’ הוא אובחן כמחונן ונכנס לתוכנית המחוננים במכללת אורנים. “שם נתקלתי בפעם הראשונה במתמטיקה שדורשת חשיבה מעמיקה, הבנה אמיתית, ונמשכתי לזה.” בכיתה ח’ הוא השתתף בנבחרת ישראל הצעירה במתמטיקה ובכיתה ט’ הצטרף לתוכנית הנשיא למדעני וממציאי העתיד, שהתקיימה בטכניון.

הטכניון לא היה זר לנעם מפני שסביו, סבתו והוריו למדו בטכניון. אביו חגי השלים תואר ראשון ושני בפקולטה להנדסת חשמל ואימו חיה – תואר ראשון בפקולטה למתמטיקה ותואר שני בפקולטה למדעי הנתונים וההחלטות שנקראה אז הפקולטה לתעשייה וניהול. יותר מכך – הם הכירו בטכניון, ונעם עצמו נולד כשהתגוררו בדירת סטודנטים בתקופת לימודיהם.

בלימודיו בתוכנית הנשיא התוודע נעם כנער לפרופ’ ברמן, שלימד קורס באלגברה מודרנית. “הייתי בן 15 והקורס פתח לי את העיניים. מייד הבנתי שיש לנו עסק עם ‘נפיל מתמטיקה’ שמאחוריו עשייה עצומה בתחום. מכיוון שסבתא שלי היא מתמטיקאית שלמדה בטכניון, שאלתי אותה אם היא מכירה את פרופ’ ברמן.”

התשובה הייתה חיובית. “בפעם הראשונה נפגשנו כשני סטודנטים בפקולטה למתמטיקה בטכניון,” מספרת דפנה על ההיכרות עם פרופ’ ברמן. “לימים המשכתי ללימודים מתקדמים והוא כבר היה חבר סגל, ורק טבעי היה שהוא ינחה אותי. לכן, כששמעתי שהנכד שלי לומד אצל אבי, זאת הייתה התרגשות גדולה.”

במהלך לימודיה נישאה דפנה לשאול שאשא ז”ל, שלמד רפואה באוניברסיטה העברית ובהדסה. שאשא התמנה לפרופסור בטכניון, בפקולטה לרפואה, וגם ניהל את המרכז הרפואי לגליל בנהריה בשנים 2006-1987. הוא עסק רבות בנושא של רפואה ורופאים יהודים בשואה וייסד כנסים בנושא זה. במרכז הרפואי לגליל הוא הקים את בית החולים התת-קרקעי – יוזמה שהצילה חיים בימי מלחמת לבנון השנייה. פרופ’ שאשא הלך לעולמו בנובמבר 2021, ונעם זוכר אותו כסבא קרוב ואוהב, והאיש החכם ביותר שאי פעם פגש.

לשאול ולדפנה ארבעה ילדים – חיה, ענת, הדס ויואב – ו-11 נכדים. נעם, בנה של  חיה, הוא בכור הנכדים, והקשר בינו לבינם תמיד היה חזק ומשמעותי.

נעם שירת כמתכנת ביחידת אופק בחיל האוויר – “שירות נפלא עם המון טכנולוגיה ואתגרים.” הוא השתחרר ב-2019 וטס לטיול באוסטריה עם סביו האהובים שאול ודפנה. “הקשר איתם תמיד היה חזק ומשמעותי, והתייעצתי איתם בכל תחנה שבה נדרשו החלטות רציניות.”

על הלימודים בטכניון הוא החליט בלי התלבטויות משמעותיות. “לא לחצו עלי במשפחה, וסבא אפילו נהג לומר לי תמיד לבחור בעצמי. ‘תעשה מה שאתה אוהב,’ הוא היה אומר, ‘ותאהב מה שאתה עושה’. אבל אני דור שלישי למתמטיקה בטכניון, ומן הסתם המורשת הזאת השפיעה עלי.”

בין הצבא לטכניון הוא הספיק לעבוד במשך שנה בפיתוח בחברת סטארט-אפ ולטייל בדרום אמריקה – טיול שנקטע בשל מגפת הקורונה. הוא הגיש מועמדות לתוכנית המצוינים – והתשובה החיובית לא איחרה לבוא.

תכנית הטכניון למצוינים מונה כ-400 בוגרים המשתלבים בחזית התעשייה והאקדמיה מתוכם רבים חברי סגל במוסדות המובילים בכל רחבי העולם ובפרט 11 בטכניון.

“תוכנית הטכניון למצוינים היא באמת מסגרת נפלאה למי שאוהב ללמוד,” הוא אומר. “יש כאן גברים ונשים מכל המגזרים, במנעד רחב של גילים ועם שלל עיסוקים ותחומי עניין – אני למשל השלמתי בגרות בפיזיקה ובמוסיקה – ומנגן בגיטרה, פסנתר, בס ותופים. מה שמשותף לרבים מאיתנו הוא שיש לנו שאיפות גדולות: לשנות משהו משמעותי בעולם. אף אחד לא ממהר לסיים את התואר במהירות, ולפחות לגביי אין ספק –אם לא יהיו הפתעות, אני אמשיך לתואר שני לפחות. ”

נעם, חיה, דפנה ופרופ’ ברמן נפגשו ב-26 בינואר בכנס לכבוד יום הולדתו ה-80 של פרופ’ ברמן.

הכנס התקיים במרכז חמ”ה – המרכז לחקר מחוננות ומצוינות באוניברסיטת חיפה.

במאה השנים שחלפו מאז הוקם, הכשירו וחינכו חברי הסגל של הטכניון את המנהיגות הטכנולוגית והמדעית של החברה בישראל, עשרות אלפי מהנדסות ומהנדסים, מדעניות ומדענים, רופאות ורופאים, אדריכליות ואדריכלים שבידיהם מופקדת אחריות לשימור, פיתוח וטיפוח ביטחונם ובריאותם של אזרחי המדינה ושל הסביבה בה הם חיים. עשייתם של בוגרינו הובילה לכל כך הרבה טוב ונכון בתרבות, כלכלה, בטחון ועוד.

הטכניון אינו פועל בריק. סביבה אקדמית אינה יכולה להיות מנותקת מהערכים על פיהם פועלתהחברה. כשהמצע הערכי בסביבה האזרחית העוטפת אותנו מתערפל, דבקים הסנאט והוועדהמנהל של הטכניון בערכי היסוד המנחים את המוסד מזה מאה שנים ומחזקים את ידי הפועליםלביצור חירות וצדק, שוויון זכויות חברתי לכל אזרחי המדינה בלי הבדל דת, גזע ומין, חופשהמצפון, הלשון, החינוך והתרבות.הטכניון יעשה כל שנדרש כדי לשמור ולקיים את ערכי היסוד המופיעים במגילת העצמאות, בחוקת הטכניון ובקוד האתי שלו. חברות וחברי הסנאט והוועד המנהל של הטכניון קוראים למנהיגות – על כל גווניה – להתעשת,לאחד כוחות ולהסיר כל איום על ערכי היסוד. ברי כי יש מקום למחלוקות בחברה חופשית, אך על כתפיהם של נבחרי העם מוטלת אחריות לעשות כל מאמץ לחתור לאמת ולברר מחלוקות בהתכוונות מלאה ותוך גישה עניינית וישרת דרך. הסנאט והוועד המנהל של הטכניון קוראים לכנסת ישראל לעצור תהליכי חקיקה שמערערים את המבנה הדמוקרטי במדינת ישראל, וליצורמסגרת שתאפשר עריכת שינויים בזהירות הראויה ותחת הסכמה רחבה. אנו קוראים לראשהממשלה ולחבריו להנהגה לעשות כל שביכולתם על מנת לשמוע ברוב קשב ובאורח מכבד דעותשל נשות ואנשי מקצוע שמובילים את החברה הישראלית להישגים יוצאי דופן במדעי החברהוהרוח, במשפט וברפואה, במדעים המדויקים ובהנדסה.הסנאט והוועד המנהל קוראים להנהלת הטכניון להגן בנחרצות על ערכי היסוד של הטכניון:להוקיע ולבלום מבעוד מועד ניצני אפליה, פגיעה בחופש הביטוי, שיח פוגעני וגילויים של סטיהמחתירה לאמת, אחריות ויושרה. הסנאט והוועד המנהל קוראים להנהלת הטכניון לגבש בדחיפות דרכי פעולה מעשיות להתמודדות יום יומית עם האיום על ערכי היסוד שלנו, בחינוך ובמחקר.

לקריאת ההחלטה – לחצו כאן

פיתוח חדש של חוקרי הפקולטה לפיזיקה והמכון למצב מוצק בטכניון: הֶתְקֵן ראשון מסוגו הפולט באופן רציף פוטונים בודדים וזהים במצבי אשכול שזורים. הפיתוח החדשני, שהתפרסם בכתב העת Nature Photonics, הוא הישג נוסף בשרשרת ההישגים המדעיים של קבוצת המחקר של פרופ’ דוד גרשוני. המחקר בוצע בהובלתו של ד”ר דן קוגן ובהשתתפותם של ד”ר זו-אן סו וד”ר עודד קנת.

פוטון הוא חלקיק אור, ופירוש הדבר שהוא החלק היסודי של האור – לא יתכן “אור מחצי-פוטון”. כמות האנרגיה שנושא פוטון בודד קרויה קוונטה – היא גדלה ביחס ישר לתדירות האור ונמצאת ביחס הפוך לאורך הגל של האור.

פוטונים שזורים (entangled photons) הם פוטונים המקיימים ביניהם קשר קוונטי ייחודי – מדידת מצבו של אחד מקבעת את מצבם של האחרים גם אם הם נמצאים מרחק שנות אור רבות מהפוטון הנמדד. במילים אחרות, מגבלת מהירות האור אינה חלה כביכול על הקשר בין פוטונים שזורים.

שזירות קוונטית בין חלקיקים נובעת מהתיאוריה הפיזיקאלית של מכניקת הקוונטים שנוסחה על ידי נילס בוהר, ורנר הייזנברג וארווין שרדינגר בשנות ה-20 של המאה הקודמת. בניגוד למכניקה הקלאסית, תורת הקוונטים איננה דטרמיניסטית והיא מתארת את הטבע באופן הסתברותי. אלברט איינשטיין התנגד לרעיון זה וטען כי “אלוהים איננו משחק בקוביות”. הוא טען שתורת הקוואנטים איננה שלמה והתווכח על כך במשך שנים רבות  עם נילס בוהר שהגן על התורה החדשה. מספרים שבוהר השיב לו: “איינשטיין, אל תגיד לאלוהים מה לעשות”.

ב-1935 ניסח איינשטיין את התנגדותו במאמר נודע שפרסם עם בוריס פודולסקי ונתן רוזן, לימים ממייסדי הפקולטה לפיזיקה בטכניון והדיקן הראשון שלה. המאמר זכה לכינוי “פרדוקס EPR” – האותיות הראשונות בשמות המחברים איינשטיין, פודולסקי ורוזן. הפרדוקס התבטא בכך שאם אכן קיימת שזירות, הרי שדי במדידת חלקיק במקום מסוים בכדי לקבוע את מצבו של חלקיק השזור אליו במקום אחר. מדובר בהשפעה מיידית שאינה כפופה כביכול למגבלת מהירות האור, דבר הנוגד את חוקי הטבע לפי תורת היחסות. לכן הסיק איינשטיין שמכניקת הקוונטים איננה תורה מלאה, ואת השזירות כינה “מעשה כשפים במרחב” (spooky action at a distance). נילס בוהר טען בתגובה כי אותה פעולה מרחוק דווקא אפשרית משום שאינה מבוססת על “השפעה מכאנית” אלא על “השפעה לוגית”. איינשטיין לא נותר חייב והגדיר את תגובתו של בוהר כ”פלפול תלמודי”.

בשנת 1962 הראה הפיזיקאי האירי ג’ון בל כי את מחלוקת איינשטיין-בוהר אפשר לבדוק באופן ניסויי. הוא הוכיח כי אם הקורלציות המדודות בין שני חלקיקים סותרות אי-שוויון מתמטי, שני חלקיקים אלה חייבים להיות שזורים. הרעיון של בל נבדק בשורה של ניסויים שנערכו בשנות ה-70, ה-80 וה-90 של המאה הקודמת על ידי ג’ון קלאוזר, אלן אספה ואנטון ציילינגר, חתני פרס נובל לפיזיקה ב-2022. הפרס, שניתן להם על “ניסויים עם פוטונים שזורים, הוכחת סתירת אי השוויון של בל והחלוציות במדע האינפורמציה הקוואנטית”, מבטא את הכרת הקהילה המדעית בצדקתו של נילס בוהר ובחשיבותה של תופעת השזירות הקוונטית.

העבודה הנוכחית של קבוצת המחקר של פרופ’ גרשוני מהווה הלכה למעשה את הדרך הטובה ביותר כיום לייצר באורח דטרמיניסטי פוטונים שזורים ולהשתמש בהם לצורכי עיבוד אינפורמציה קוונטית.

בפקולטה לפיזיקה בטכניון התפרסמו בעבר מחקרים מובילים בתחום חשוב זה, ראשית על ידי פרופ’ מחקר אשר פרס ז”ל, פיזיקאי בעל שם עולמי בעל תרומות עצומות בעיבוד אינפורמציה ובטלפורטציה קוונטית. לאחר מכן המשיכו בכך פרופ’ דוד גרשוני, פרופ’ נתנאל לינדנר ופרופ’ יוסי אברון.

ההתקנים שפיתח פרופ’ גרשוני מבוססים על נקודה קוונטית (Quantum Dot) במוליך למחצה. בשל ממדיהן הננומטריים של הנקודות הקוונטיות הן מסוגלות לכלוא אלקטרונים ברמות בדידות, בדומה לרמות האלקטרוניות של האטום, ולכן הן קרויות גם “אטומים מלאכותיים”. כאשר פולס של אור פוגע בנקודה הקוונטית הוא גורם למעבר של אלקטרון מרמת היסוד לרמה מעוררת, וכאשר האלקטרון ש

ב לרמת היסוד נפלט פוטון אחד באנרגיה המתאימה להפרש האנרגיה בין הרמה האלקטרונית המעוררת לרמת היסוד האלקטרונית. אנרגיה זאת מגדירה בדיוק רב את אורך הגל (או צבעו) של הפוטון.

בשנת 1999 הדגימה קבוצת המחקר של פרופ’ גרשוני לראשונה כי נקודה קוונטית יכולה להיות מקור אור של פוטונים בודדים הנפלטים על פי דרישה. ב-2005 הדגימה הקבוצה יצירה של זוגות של פוטונים שזורים, ובשנת  2016 הוכיחה הקבוצה כי נקודות קוונטיות יכולות להוות התקנים הפולטים אשכולות של פוטונים שזורים באופן דטרמיניסטי.

על מחקריו פורצי הדרך זכה פרופ’ גרשוני בשנת 2012  בפרס ההתקן הקוונטי של האגודה היפנית ISCS, בשנת 2014 בפרס לנדאו למדעים ואמנויות בתחום הפיסיקה ובשנת 2021 בפרס למחקר מהקרן הגרמנית ע”ש אלכסנדר פון הומבולדט.

בעבודה הנוכחית מעוררים החוקרים נקודה קוונטית בודדת באופן מחזורי כ-500 מיליון פעמים בשנייה, באמצעות פולסי לייזר קצרים. בתגובה לכל פולס פולטת הנקודה פוטון בודד. תזמון הפולסים, עוצמתם, גודלם וכיוונו של השדה המגנטי החיצוני הפועל על הנקודה הקוונטית מתוכננים כך שהפוטון הנפלט שזור עם הפוטון שנפלט לפניו ועם זה שייפלט אחריו וכך נוצרת שרשרת ארוכה מאד של פוטונים שזורים במצב אשכול. החוקרים הראו שכל עשרה פוטונים עוקבים בשרשרת שזורים ביניהם. יתר על כן, הם הצליחו לראשונה לתכנן את ההתקן כך שהפוטונים הנפלטים ממנו יהיו כמעט זהים לחלוטין זה לזה (indistinguishable photons). תכונה זאת חשובה ביותר, שכן  היא מאפשרת (בעזרת התאבכות) אינטראקציה בין שני פוטונים מאותו מצב אשכול או בין שניים ממצבי אשכול שונים. בכך ניתן ליצור מצבי אשכול גדולים יותר ובעלי קישוריות גדולה יותר, תכונות חשובות ביותר לצורך שימוש במצבי האשכול בעיבוד אינפורמציה קוונטית.

פרופ’ גרשוני מסביר כי להישג המדעי של בניית “מכונת תפירה השוזרת פוטונים” תיתכנה השלכות יישומיות מרחיקות לכת. לדבריו, “שזירות היא תנאי חיוני בפעולה של מחשבים קוונטיים, תקשורת קוונטית וטלפורטציה, ואנחנו לא מציגים כאן קונספט בלבד אלא התקן פיזי פועל שיכול להשתלב במערכות כאלה. מאחר שהטכנולוגיות הקיימות כיום במחשוב, בתקשורת, באחסון מידע וכן הלאה מבוססות ממילא על מוליכים-למחצה, ההישג שלנו המבוסס על מוליך למחצה מתכתב היטב עם עולם ההייטק העכשווי. להערכתי יש כאן תרומה משמעותית לקראת יישומים של טכנולוגיה קוונטית בשימוש נרחב בעתיד הלא רחוק”

המחקר נערך בתמיכת הנציבות האירופית למחקר (ERC) והקרן הלאומית למדע (ISF).

לקריאת המאמר – לחצו כאן

הישג ניסויי של חוקרים בטכניון בתחום העיבוי הקוונטי עשוי להאיץ מחקרים בעיבוד מידע קוונטי ובמגוון תחומים במדעים מדויקים ובמדעי החיים. את המחקר שהתפרסם בכתב העת Optica הובילו הדוקטורנט נדב לנדאו ופרופ’ אלכס חייט מהפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע”ש ויטרבי.

עיבוי קוונטי הוא תופעה פיזיקלית שבה מספר רב של חלקיקי חומר שומר על קוהרנטיות בזמן ובמרחב – תכונה חשובה מאוד עבור רבות מהטכנולוגיות הקוונטיות המתפתחות כיום. עיבוי קוונטי מעורר אופטית, כלומר על ידי פוטונים, הושג עד כה רק באמצעות בליעה חד-פוטונית – תהליך שבו פוטון יחיד מעורר חלקיק חומר למצב בעל אנרגיה גבוהה יותר, שם מתרחש העיבוי.

לבליעה דו-פוטונית, שבמהלכה נבלעים שני פוטונים בחומר בעת ובעונה אחת, ישנם יתרונות מדעיים וטכנולוגיים רבים, ובין השאר היא חיונית ליישומי זיכרון קוונטי ארוך-טווח. מצבי החומר אליהם ניתן להגיע בתהליך בליעה כזה מאופיינים בפליטה ירודה של אור, ולכן קרויים בהקשר זה “מצבים חשוכים”.

כדי לייצר בליעה דו-פוטונית שתוביל לעיבוי, נדרשים תנאים ייחודיים שלא הושגו עד כה בשל אתגרים טכנולוגיים ומדעיים מורכבים. בין השאר, נדרשים לייזרים בעוצמה גבוהה במיוחד ופולסים אולטרה-קצרים בזמן כדי להימנע מחימום. חוקרי הטכניון התגברו על האתגרים האמורים ובמאמר הם מציגים עיבוי קוונטי בתהליך בליעה דו-פוטוני בשבב מוליך למחצה. הישג זה סולל את הדרך לטכנולוגיות קוונטיות חדשות הניתנות למימוש מעשי על ידי צימוד “מצבים חשוכים” לעיבויים קוונטיים בפלטפורמת מצב מוצק.

אחד היישומים המבטיחים של פריצת הדרך הוא מימוש מקורות לייזר יעילים במיוחד בתחום תדרי הטרה-הרץ (THz) של הקרינה האלקטרומגנטית. מקורות כאלה חיוניים ליישומים רבים בתחום החישה הביולוגית, האבטחה, מדע החומרים והתקשורת, אולם מציאתם מהווה אתגר רב שנים הקשור באילוצים פיזיקליים יסודיים. התוצאה אליה הגיעו החוקרים יכולה לאפשר, באופן עקרוני, השגה של פליטת THz מוגברת בסדרי גודל באמצעות תהליך של פליטה באילוץ כפול.

במחקר תמכה הקרן הלאומית למדע

לקריאת המאמר – לחצו כאן

הטכניון אבל על מותו של פרופ’ אמריטוס אברהם למפל ז”ל מהפקולטה למדעי המחשב ע”ש טאוב ומשתתף בצערה של המשפחה. פרופ’ למפל היה שותף לפיתוח אלגוריתם למפל-זיו, אלגוריתם ששינה את עולם הדחיסה ונחשב לאחת מפריצות הדרך הטכנולוגיות המשמעותיות ביותר שהושגו במדינת ישראל ובתולדות הטכניון על ידי חוקריו.

פרופ’ למפל, יליד פולין (1936), החל ללמוד בטכניון ב-1959 והשלים את שלושת תאריו האקדמיים תוך 8 שנים. הוא לימד בטכניון הנדסת חשמל ומדעי המחשב ובשנים 1984-1981 שימש דיקן הפקולטה למדעי המחשב ע”ש טאוב. בשנת 1993 גויס למעבדות HP וכעבור שנה הקים וניהל את מעבדות HP ישראל. הוא היה עמית IEEE ועמית בכיר ב-HP וחברת HP רשמה על שמו שמונה פטנטים בארצות הברית.

בשנת 1977 פרסם פרופ’ למפל, עם עמיתו פרופ’ מחקר יעקב זיו מהפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע”ש ויטרבי, את LZ7, הגרסה הראשונה של אלגוריתם למפל-זיו, ובשנת 1979 את הגרסה השניה 79LZ. שתי הגרסאות, תחת הכינוי אלגוריתם LZ, שימשו בסיס לטכנולוגיות דחיסה חיוניות כגון TIFF ,PNG ,ZIP ו-GIF ומילאו תפקיד מרכזי בפורמטים PDF (למסמכים) ו-MP3 (למוזיקה). זהו אלגוריתם לדחיסת מידע המאפשר דחיסה ללא אובדן מידע (lossless compression), וללא ידיעה מוקדמת של התכונות הסטטיסטיות של המידע. על בסיסו של האלגוריתם פותחו רבות מטכנולוגיות הדחיסה המשמשות כיום באינטרנט בהתקני זיכרון, במחשבים ובתקשורת. השפעתו של האלגוריתם ניכרת בחברות המפתחות טכנולוגיה ומגיעה לכל משתמשי הקצה, לרבות מיליארדי משתמשי הטלפון הסלולרי.

בשנת 2004 הכריז האיגוד הבינלאומי של מהנדסי החשמל והאלקטרוניקה (IEEE) כי אלגוריתם למפל-זיו הוא “אבן דרך בהנדסת האלקטרוניקה והמחשבים”. נשיא האיגוד הסיר את הלוט מעל השלט המציין זאת, ובו נכתב כי “האלגוריתם לדחיסת מידע שפיתחו אברהם למפל ויעקב זיו במקום הזה, בשנים 1977-79, מאפשר העברת מידע ביעילות באמצעות האינטרנט. האלגוריתם תרם תרומה משמעותית להפיכתה של רשת האינטרנט לאמצעי אפקטיבי בתקשורת הגלובלית”.

נשיא הטכניון פרופ’ אורי סיון ספד לו ואמר כי “פרופ’ אמריטוס למפל ז”ל היה מקור השראה לכולנו, ונמנה עם החוקרים הגדולים ביותר שהעמיד הטכניון במאה שנותיו. אלגוריתם למפל-זיו תרם לעולם, ללא תמורה, טכנולוגיה חסרת תקדים המאפשרת העברת מידע במהירות וללא אובדן מידע. בחייו המקצועיים גילם פרופ’ למפל את החיבור בין העמקה במדע בסיסי להצטיינות במחקר יישומי. מעטים החוקרים שמחקריהם השפיעו באופן כה נרחב על הקידמה הטכנולוגית ועל חיי היום-יום שלנו. יהי זכרו ברוך.”

פרופ’ למפל זכה במהלך השנים בעשרות פרסים יוקרתיים ואותות הוקרה, ובהם IEEE Golden Jubilee Award על חדשנות טכנולוגית, פרס ACM לתיאוריה ויישום, מדליית המינג מטעם IEEE ופרס רוטשילד.

על פי ACM, האגודה החשובה ביותר בתחומי המחשוב ומדעי המחשב, “השפעת עבודתם של הפרופסורים למפל וזיו כה עצומה, שהמחקר הנוכחי בתחום עודנו תוסס כפי שהיה לפני עשרות שנים, וכל שנה אנו רואים עוד תאורטיקנים וחוקרים יישומיים עוסקים בהרחבה ובפיתוח של הרעיון האלגנטי שהשניים הציגו. אין זו הגזמה לומר כי טכנולוגיות הדחיסה שנבעו ממחקרם של למפל וזיו האיצו את היישומים במחשוב נייד ובמולטימדיה והפכו אותם לישימים מבחינה כלכלית.”

האסטרונאוט הישראלי איתן סטיבה ביקר בשבוע שעבר בטכניון במסגרת שבוע החלל הישראלי. הוא נפגש עם חוקרים וסטודנטים והרצה על המסע לתחנת החלל הבין-לאומית בינואר 2022 – מסע שארך 17 ימים, שעה ו-49 דקות.

הסטודנטים והסטודנטיות שהשתתפו במפגש הציפו את סטיבה בשאלות: האם הרקע שלך כטייס קרב עזר לך במשימה? האם האסטרונאוטים רבים על המקום ליד החלון? האם לשהייה בחלל יש השלכות פיזיולוגיות שליליות? האם יש בתחנת החלל מרחב פרטי? אילו סרטים ראיתם שם? איך מתארגנים על ניקיון ומשימות אחרות?

במהלך שהותו בתחנת החלל ערך סטיבה עשרות ניסויים, העביר תכנים חינוכיים ושיעורים והציג יצירות אומנות ישראליות. “הניסויים בתחנת החלל,” אמר. “נועדו לעורר סקרנות בקרב הציבור – מילדים ועד זוכי פרס נובל. הרעיון הוא ‘חלל לכולם’ – מעורבות של כולם במה שקורה בחלל.” אחד הניסויים האלה בחן פיתוח חדשני של קבוצת המחקר של פרופ’ מורן ברקוביץ’ מהפקולטה להנדסת מכונות בטכניון: ייצור עדשות בתנאי מיקרו-כבידה. פרופ’ ברקוביץ’ שפתח את האירוע סיפר כיצד עקב ממרכז הבקרה של משימת רקיע בתל אביב אחר הניסוי שערך סטיבה בתחנת החלל. “זה היה ניסוי מורכב שלא היה יכול להצליח ללא היכולות הטכניות, קור הרוח והדיוק של איתן. הכישרון שלו הוא כמעט על אנושי.”

נשיא הטכניון פרופ’ אורי סיון  אמר באירוע כי “החלל הופך להיות נגיש יותר ויותר, עם הרבה חברות אזרחיות הנכנסות לתחום. זו מהפכה של ממש, ואני שמח על הגידול במספר הניסויים הנערכים בחלל, שכללו גם את הניסוי של פרופ’ מורן ברקוביץ’ מהטכניון.”

בביקורו בטכניון חלק סטיבה חוויות מהשיגור – מאימוני הסימולטור, דרך ההתרגשות בשיגור וההתחברות לתחנת החלל ועד לקושי להסתגל שוב לכוח המשיכה של כדור הארץ. “ההצלחה בחלל מותנית בשיתוף פעולה בין-לאומי, ואנחנו פתחנו את העולם של חלל מסחרי. נופי החלל הם מראות מרהיבים ואני שמח על ההזדמנות שניתנה לי.”

בנוסף להרצאה נפגש סטיבה עם משתלמים לארוחת צוהריים שבה הם תיארו את מחקריהם בנושא חלל ושאלו שאלות . לבסוף נפגש סטיבה עם פרופ’ יורם רוזן, ראש מכון אשר לחקר החלל, ועם שירה אטינג לשיחה על פרויקט חלל עתידי בנושא קיימות והתחממות גלובלית.

שיגורו של סטיבה לתחנת החלל נערך במסגרת “רקיע” – יוזמת החלל של קרן רמון, בשיתוף סוכנות החלל הישראלית במשרד החדשנות, המדע והטכנולוגיה. רקיע הייתה חלק ממשימה גדולה יותר – משימת החלל הפרטית הראשונה בהיסטוריה בהובלת חברת אקסיום.

 

אחד המרכיבים המרכזיים בשעונים האטומיים הקטנים הוא לייזר פולט-שטח הידוע בשם ויקסל (VCSEL). זהו לייזר זעיר מוליך למחצה (כ-1,000 ויקסלים נכנסים לגרגיר מלח) המשמש במגוון יישומים ובהם טלפונים סלולריים, חיישני רכב ורשתות תקשורת אופטיות במרכזי מידע(data centers) . כשמדובר בשעונים אטומיים, הדרישות מהויקסל מחמירות ביותר, למשל עבודה בטמפרטורות קרובות ל-100 מעלות ודיוק רב בצבע האור הנפלט. דרישות אלה הופכות את פיתוחם של ויקסלים כאלה לאתגר טכנולוגי מורכב במיוחד. הויקסל שפותח בטכניון עונה על כל הדרישות הללו ואף מציג ביצועים העולים על אלה של הלייזרים הטובים ביותר בעולם כיום.

פריצת הדרך בטכניון נעשתה במסגרת מאגד “ויקסל” של רשות החדשנות – מאגד שבו שותפות חברות תעשייתיות (NVIDIA, SCD, אקיוביט הולואור וסיון) וחוקרים מהטכניון ומהאוניברסיטה העברית. המאגד קם מתוך ההבנה ברשות החדשנות שויקסלים הם רכיב קריטי לתעשיות ישראליות רבות ומתוך הכרה בכך שבטכניון נמצאות המומחיות והתשתית למימוש ופיתוח ברמה תעשייתית. הצלחת הפרויקט מבוססת גם על שיתוף הפעולה של הטכניון עם הסניף הישראלי של NVIDIA, מלאנוקס לשעבר – שיתוף פעולה רצוף המתבטא גם בפעילויות מחוץ למאגד.

“הגורם העיקרי בהצלחה הוא כמובן הטכניון עצמו,” אומר פרופ’ איזנשטיין, ראש המכון לננו טכנולוגיה RBNI והמנהל הזמני של MNFU – המרכז לננואלקטרוניקה ע”ש שרה ומשה זיסאפל. לדבריו, “האחראי העיקרי להישג המרשים הוא פרופ’ מאיר אורנשטיין, ראש המעבדה לננו ומיקרופוטוניקה בפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע”ש ויטרבי. מאיר עובד על ויקסלים מאז שנות השמונים, כששהה בארצות הברית, ויש לו תרומות משמעותיות ומתמשכות לטכנולוגיה הזאת ובהן ההמצאה שאפשרה את הייצור התעשייתי של ויקסלים.”

פרופ’ אורנשטיין תכנן את השכבות שמומשו בעזרת השותפים מ-NVIDIA, גיבש את התכן של מבנה הויקסל ופיקח על מימוש ההתקנים ב- MNFU. לדברי פרופ’ איזנשטיין, “צוות המהנדסים והטכנאים של MNFU, בראשות איה כהן, הדגים את היכולות המצוינות שלו והוכיח שניתן לפתח במעבדות הטכניון התקנים מורכבים ומסובכים לטובת צרכים קריטיים של התעשיה הישראלית.”

נציגי הטכניון במאגד הם שלושה חוקרים מהפקולטה להנדסת חשמל ומחשבים ע”ש ויטרבי: פרופ’ מאיר אורנשטיין, פרופ’-מחקר מוטי שגב ופרופ’ גדי איזנשטיין. חוקרי הטכניון הדגימו כאמור פיתוח ויקסלים שמיועדים לשעונים אטומיים זעירים. ההתקנים הוכחו כטובים יותר מויקסלים מסחריים שבהם משתמשת חברת השעונים האטומים אקיוביט, שגם היא משתתפת במאגד, בכל פרמטר שחשוב לפעולת השעון הזעיר.

המאגד מפתח גם ויקסלים לשימושים אחרים. חברת  NVIDIA מובילה במאגד את קבוצת העבודה המתמקדת בפיתוח ויקסל בעל יכולת העברת מידע גבוהה בהרבה מהקיים כיום, וזאת לצרכים של רשתות תקשורת אופטית עתידיות. הטכניון תורם למאמץ זה בעיקר באפיונים של הויקסלים המהירים.

כיוון פיתוח נוסף במאגד הוא ויקסלים מרובים הפועלים כמקור מאוחד הפולט הספק גבוה בבהירות גבוהה. כיוון זה מרוכז על ידי חברת המ״מ ויש לו שני ערוצים. הראשון הוא מערך צפוף של ויקסלים הפולטים אור בצורה משותפת (קוהרנטית), שאותו המציא פרופ’ אורנשטיין, והוא מתוכנן ומיושם בשיתוף פעולה הדוק עם חברת המ״מ. השני מרוכז על ידי פרופ’ מחקר מוטי שגב. פרופסור שגב המציא את הלייזר הטופולוגי ועכשיו מפתח יחד עם חברת המ”מ מערך ויקסלים טופולוגיים שמהווים מקור אור רב עוצמה שחסין להפרעות חיצוניות.

ההישג הנוכחי של המאגד בהובלת הטכניון הדגים כאמור ויקסלים לשעונים אטומיים זעירים, ולדברי פרופ’ איזנשטיין, “ההצלחה הזאת מוכיחה את יכולתו של הטכניון לפתח כל סוג של ויקסל, ולא רק את אלה שהוגדרו במאגד, כמו גם רכיבים אופטו-אלקטרוניים אחרים שחשובים לתעשייה הישראלית.”

מרכז זיסאפל לננו-אלקטרוניקה ומרכז וולפסון למיקרואלקטרוניקה

 

להבאתו של תחום המיקרואלקטרוניקה לישראל אחראי במידה רבה פרופ’ יצחק קדרון ז”ל, שהקים בשנת 1969 את המרכז ללימודי מיקרואלקטרוניקה בטכניון. שנים ספורות לאחר מכן, על רקע מלחמת יום כיפור, קיבל המרכז הצעיר משימה לאומית הרת גורל: לפתח טכנולוגיות לראיית לילה. אנשי המרכז סיפקו במהירות את הטכנולוגיה, הישג שמיצב את המרכז כמשאב לאומי חיוני. מעט לפני מותו ב-1987 הספיק פרופ’ קדרון לגייס את המשאבים הכספיים להקמתו של מבנה המרכז למיקרואלקטרוניקה על שם וולפסון בטכניון.

שלושים שנים אחר כך, ב-2007, נחנך מרכז זיסאפל לננואלקטרוניקה בנוכחות התורמים בוגרי הטכניון האחים זהר ויהודה זיסאפל. השניים הקדישו את התרומה להוריהם, שרה ומשה זיסאפל. בהסתכלות היסטורית, אין ספק שפעילות המיקרואלקטרוניקה בטכניון אחראית כמעט בלעדית להצלחות הרבות של תעשיית האלקטרוניקה הישראלית. מומחים בין-לאומיים רבים שמכירים היטב את הטכניון מציינים לעיתים קרובות ש”פעילות המיקרואלקטרוניקה בטכניון היא ערש תעשיית האלקטרוניקה הישראלית המשגשגת.”

כיום מכיל המרכז המשולב 700 מ”ר של חדרים נקיים, מה שהופך אותו למרכז התשתית הגדול בטכניון ולמרחב הגדול מסוגו באקדמיה בישראל בתחומי המיקרו והננו. במרכז פעילים כיום 17 עובדים, רובם מהנדסי תהליך עם ניסיון תעשייתי עשיר, והם מפעילים 52 מכשירים מתקדמים.

המרכזים למחקר במיקרו וננואלקטרוניקה תומכים במחקרים בכלל הפקולטות בטכניון וכן בשורה ארוכה של יחידות וגופים חוץ-טכניוניים. המרכז מספק שירותי פבריקציה לגורמים מסחריים וכן תמיכה בפיתוח מדגימים טכנולוגיים ו”מארח” חברות הזנק במעבדות ובחדרים הנקיים. לסטודנטים בטכניון מנגיש המרכז חוויית מו”פ ריאלית מאוד, הכוללת מגע ישיר עם הטכנולוגיה.

פרופ’ ניר טסלר, ראש המרכז לננואלקטרוניקה בטכניון מאז 2010, הנחיל במרכז תרבות של תיעוד, בדומה למקובל בתעשייה, כך שהידע מצטבר ומאפשר להגביה את הרף ללא הרף. לדבריו, “ההישג הנוכחי מאשר את מעמדנו כמקום המוביל בישראל לפיתוחים מהסוג הזה וכפלטפורמה מצוינת לשיתופי פעולה בין האקדמיה לתעשייה. לא פחות חשוב, התהליך עצמו העצים מאוד את עובדי המרכז שנרתמו לפתרון האתגר הזה בזמן קצר.”

המשנה לנשיא הטכניון למחקר פרופ’ קובי רובינשטיין אמר כי “מענקי ERC Consolidator נחשבים לספינת הדגל לעידוד מצוינות במדע תחת תוכנית המסגרת למחקר ופיתוח .Horizon Europe הזוכים שלנו מפגינים מצוינות במגוון רחב של תחומי מחקר ופיתוח – תובנות חדשות בביולוגיה וברפואה הצפויות לשנות את יעילותם של טיפולים רפואיים ופריצות דרך בכימיה שיחוללו שינויים מפליגים בתעשייה ובהגנה על כדור הארץ. מדובר במענקים יוקרתיים שמתמודדים עליהם טובי החוקרים באירופה, וזכייתם של חוקרינו מעידה על הצטיינותם ועל גודל היישומים העתידיים שאנשי ה-ERC רואים במחקרים אלה. אף שמדובר בהצלחות אישיות של חוקרי הטכניון אנו רואים במכלול הזכיות הבעת אמון חשובה באיכות המחקר בטכניון בכללו.”

החוקרים הזוכים הם:

פרופ’ אסיה רולס מהפקולטה לרפואה ע”ש רפפורט: יחסי הגומלין בין המוח, הפאשיה ומערכת החיסון. פאשיה – מערכת רקמת החיבור של הגוף – היא הרקמה הגדולה ביותר בגוף. היא מפרידה בין שרירים שונים ואיברים שונים. אולם הפאשיה אינה רק “יריעה אינרטית” שתפקידה מצטמצם לפונקציה מכנית של עיטוף רקמות; היא איבר פעיל מאוד המאוכלס בתאים של מערכת החיסון ומעוצבבת על ידי נוירוני חישה ונוירונים סימפתטיים – תאים המסייעים לגוף להגיב כראוי לעקות ולמצוקות. על פי השערת החוקרים, הפאשיה מהווה פלטפורמת חישה המנטרת נזקים ברקמות שהיא עוטפת ומעבירה מידע זה למוח, זאת כדי שהמוח יתניע, באמצעות השפעתו על מערכת החיסון, פעולות הגנה ושיקום.

פרופ’ אבי שרודר מהפקולטה להנדסה כימית ע”ש וולפסון עוסק בין השאר בפיתוח תרופות ננומטריות המתבייתות על רקמות חולות ומשחררות את החומר הפעיל (תרופה) באיבר המטרה בלי לפגוע ברקמות בריאות.

עיקר עיסוקו של פרופ’ שרודר הוא בפיתוח טיפולים לסרטן, אך המחקר שזכה במענק יתמקד בכיוון אחר: פיתוח תרופות ננוטכנולוגיות לטיפול בהזדקנות ובמחלות כגון אלצהיימר הפוגעות במערכת העצבים המרכזית ובמוח.

פרופ’ מיטל לנדאו מהפקולטה לביולוגיה חוקרת עמילואידים – סיבים חלבוניים המעורבים במחלות זיהומיות אך עשויים גם לסייע בטיפול במחלות אלה. באחד ממאמריה החשובים שהתפרסם ב- Science היא חשפה את “החץ המורעל של החיידק הזהוב” – מבנה חלבוני ייחודי המסייע לחיידק האלים Staphylococcus aureus לתקוף את תאי האורגניזם. במחקר אחר היא פענחה מבנה תלת-ממדי של פפטיד הפועל כמגן אנטי-בקטריאלי יעיל. במחקר שזכה במענק הנוכחי היא תחקור את תפקידם של עמילואידים במחלות זיהומיות כמו גם במחלות נוירודגנרטיביות.

 

פרופ’ נדב אמדורסקי מהפקולטה לכימיה ע”ש שוליך חוקר מנגנונים שונים של העברת מטענים – אלקטרונים ופרוטונים – במערכות ביולוגיות. העברת מטען היא תהליך חיוני בביולוגיה והוא הכוח המניע במערכת הנשימה. במסגרת המחקר שזכה במענק הוא יפתח כלים כימיים וביוטכנולוגיים חדשים לחקר העברת פרוטונים דרך חלבונים.

ד”ר גרהם דה-רויטר מהפקולטה לכימיה ע”ש שוליך עוסק בפיתוח תהליכי קטליזה בטוחים, זולים ובני-קיימא. הוא כבר פיתח קטליסט מבוסס ברזל שיכול לשמש בין השאר לתיוג איזוטופים – תהליך חיוני בתעשיית התרופות ובתעשיות הכימיות. בקטליסטים שהוא מפתח אפשר להשתמש במינון נמוך מאוד, מה שחוסך משאבים ומצמצם זיהום. בשנה שעברה הוא נבחר על ידי מגזין The Marker לרשימת “הצעירים המבטיחים לשנת 2022”. במסגרת המענק הזוכה הוא יפתח תהליכי קטליזה יעילים, בטוחים, זולים ובני-קיימא שישמשו בהפקת תרופות ובייצור חומרים לחקלאות ולתחומים אחרים.

נוכח אתגרי התקופה – בריאות, שינויי האקלים והגידול באוכלוסיית העולם – הכריז הטכניון על הקמתו של מרכז מחקר רב-תחומי לחלבונים בני-קיימא – חלבונים שיופקו ממקורות חלופיים ומתחדשים ויחליפו מזונות מן החי, שייצורם מחריף את המשברים השונים שעימם האנושות מתמודדת. המרכז ישמש פלטפורמה למחקר בסיסי ויישומי, למסחור וליזמות ויספק תמיכה מחקרית לתעשייה.

העלייה העולמית בדרישה למזון מן החי מהירה אף יותר מהגידול באוכלוסיית העולם, מצב שלא יוכל להימשך עוד זמן רב. תעשיית המזון מן החי אחראית לפליטת 20% מגזי החממה בעולם, לשימוש נרחב באנטיביוטיקה (73% מכלל השימוש העולמי), להתפרצות מגיפות ולניצול לא יעיל של שטחי אדמה ומים. עם זאת, הצריכה העולמית של מזון מן החי גבוהה היום מאי פעם וצפויה להמשיך לעלות.

מרכז המחקר לחלבונים בני-קיימא (Sustainable Protein Research Center, SPRC) ימשוך חברי סגל חדשים וחוקרים חדשים ומעולים ויקדם את התחום באמצעות טיפוחה של סביבת מחקר יוצאת דופן בקמפוס. את היוזמה להקמת המרכז מוביל הטכניון בשיתוף עם ה-Good Food Institute – ארגון מדעי בין-לאומי ללא מטרת רווח הפועל להאצת המחקר והחדשנות הטכנולוגית בתחום החלבונים האלטרנטיביים. בראש המרכז יעמדו פרופ’ יואב ליבני (ראש המרכז) ופרופ’ אבי שפיגלמן (סגן ראש המרכז) מהפקולטה להנדסת ביוטכנולוגיה ומזון. דוד שם טוב ממוסד הטכניון ינהל את קשרי המרכז עם התעשייה ועם גופי ממשל בזירה הלאומית והבין-לאומית.

לדברי פרופ’ ליבני, “גידול בעלי חיים למאכל אינו בר-קיימא משום שהוא מצריך משאבים ההולכים ואוזלים. זהו אחד הגורמים לכריתת יערות-עד הפוגעת במגוון הביולוגי ולהאצת ההתחממות הגלובלית. יתר על כן, חקלאות בעלי חיים היא גורם זיהום משמעותי והצרכן הגדול ביותר (כ70% בארה”ב) של אנטיביוטיקה. הגידול בצריכת אנטיביוטיקה גורר התפתחות של חיידקים עמידים – הצפויים להיות אחד מגורמי התמותה העיקריים בעשרות השנים הבאות. כמענה לאתגרים אלה התחוללה בשנים האחרונות התקדמות חסרת תקדים בפיתוח אלטרנטיבות למאכלים מן החי. אלטרנטיבות אלה מבוססות על שימוש במקורות צמחיים, על גידול תאים בתרבית (בשר מתורבת) ועל תהליכי פרמנטציה (תסיסה). לתחום זה נכנסו מעבדות וחברות סטרטאפ רבות והושקעו בו משאבים הולכים וגדלים, לרבות תקציבי ממשלה שנועדו לפתח את התחום של חלבונים בני-קיימא. עם זאת, קצב התפתחותו של תחום זה מוגבל על ידי אתגרים מדעיים וטכנולוגיים עצומים שהמרכז נועד לקדם את ההתמודדות עמם.”

החלטת הטכניון להקים את המרכז התקבלה בסוף דצמבר 2022, והפעילות להקמת המרכז כעת בעיצומה. מרכז המחקר לחלבונים בני-קיימא (SPRC) יקדם ויאיץ שיתופי פעולה מחקריים רב-תחומיים שיולידו תובנות חדשות וטכנולוגיות חדשניות ויכשיר אנשי את מדעני ומהנדסי העתיד בתחום. המרכז החדש יתמוך בתעשייה, ובעיקר בחברות סטארט-אפ, בהתמודדות עם האתגרים השונים ובהם אתגר הגימלון (Scaling up) – תרגומם של פיתוחים במעבדה לייצור תעשייתי.

המרכז החדש יתאם פעילויות משותפות בין עשרות חוקרים מיותר מעשר יחידות אקדמיות בטכניון ושיתופי פעולה עם אוניברסיטאות אחרות וחברות בתעשייה. הוא ירתום את משאביו להתמודדות עם האתגרים הבוערים ביותר בקיימות ובבריאות האדם – אתגרים הקשורים באופן הדוק לגידול באוכלוסיית העולם ולעליה המואצת בצריכת מוצרים מן החי.

ד”ר מיכל הלפרט, סמנכ”לית קשרי אקדמיה ב-GFI ישראל, אמרה כי “ישראל כבר היום נחשבת למובילה עולמית בחדשנות בתחום החלבונים האלטרנטיביים. היא נמצאת במקום השני בעולם בהשקעות בסטרטאפים בתחום, ואין ספק שהקמת מרכז מחקר כזה, הראשון מסוגו בעולם, חשובה לשמירת המובילות הישראלית. יותר מחמישים אחוז מההשקעות בחברות הסטרטאפ בישראל הגיעו לחברות שהתבססו על מחקר שהחל באקדמיה, כך שמכון המחקר עשוי לייצר חברות פוד-טק חדשות ולמשוך השקעות נוספות לישראל.”

בתקציב חמש-שנתי של 20 מיליון דולר יעודד המרכז גיוס של חברי סגל חדשים בתחום ויתמוך בהקמתו של בניין מרכז קרסו לחדשנות בטכנולוגיות מזון. הוא ירכוש ויתחזק ציוד ייעודי, יגייס טכנאים מומחים, יממן מחקרים ראשוניים בתחום ויכשיר סטודנטים לתארים מתקדמים ופוסט-דוקטורנטים בתחומים הרלוונטיים.

ד”ר הלפרט מוסיפה: “זהו מרכז המחקר האקדמי הראשון בעולם המיועד ספציפית למחקר בין-תחומי של חלבון אלטרנטיבי. זהו צעד גדול עבור מיצוב הטכניון ומדינת ישראל, כראש החץ של פיתוח הטכנולוגיות שיעצבו מחדש את עתיד המזון. ההשקעה במחקר היא קריטית. אין הוקוס-פוקוס במזון, וכדי להביא לפריצות דרך נדרשת השקעה של שנים רבות במחקר, הרבה מוחות מבריקים ומיליוני דולרים, והטכניון עושה בדיוק את זה.”

רבים מהיישומים הטכנולוגיים המתקדמים מבוססים על אותות מיקרוגל חלשים מאוד, שאיתורם בזמן אמת הוא אתגר טכנולוגי מורכב מאוד. לפיכך, קבוצות מחקר רבות שוקדות על פיתוח דרכים להֶגְבֵּר של קרינת מיקרוגל. חשוב כמובן שהגבר זה לא יוסיף רעשים משמעותיים שיפריעו לשחזור האות המקורי.

כיום כבר קיימות כמה טכנולוגיות יעילות להגברה וזיהוי של אותות מיקרוגל חלשים, וחלקן מאפשרות לזהות אפילו חלקיק מיקרוגל (פוטון) בודד, אולם הם דורשות שימוש בחומרים על-מוליכים המקוררים לטמפרטורה של כ-10 מילי קלוין.  טכנולוגיה אפשרית אחרת היא מייזר – התקן הדומה ללייזר אך מבוסס על קרינת מיקרוגל. לטכנולוגיה זו, שפותחה כבר באמצע המאה ה-20, יתרונות רבים ובהם רעש נמוך במיוחד ועמידות לפולסים חזקים של קרינת מיקרוגל. טכנולוגיה זו שימשה בין השאר, לגילוי קרינת הרקע הקוסמית וכן לתקשורת עם חלליות מחוץ למערכת השמש. עם זאת, טכנולוגיית מייזר מחייבת קירור של המערכת לטמפרטורה הקרובה לאפס המוחלט, שכן כאשר מייזרים פועלים בטמפרטורה שמעל 1 קלווין הם יוצרים רעש רב שאינו מאפשר לקבל מידע מדויק ואמין על קרינת המיקרוגל המקורית.

שני חסרונות אלה – טמפרטורה והרעשה – מקבלים מענה במחקר שפרסמו חוקרי הפקולטה לכימיה ע”ש שוליך בכתב העת Science Advances. המחקר, שנעשה במסגרת עבודת הדוקטורט של ד”ר אלכס שרמן תחת הדרכתו של פרופ’ אהרן בלנק , מציג התקן מייזר שקט יחסית הפועל בטמפרטורות הגבוהות יותר מנקודת הרתיחה של חנקן (195.8- מעלות צלזיוס), כלומר הרבה מעל 1 קלווין. המייזר מבוסס על גבישי יהלום ועל אחד הפגמים המאפיינים אותם – Nitrogen-vacancy center. יהלומים הם  אטומי פחמן שנדחסו בלחץ גבוה וכך התקבעו בגביש מסודר, והפגם האמור כולל אטום חנקן שמחליף את אחד מאטומי הפחמן ולידו היעדרו של אטום פחמן במקום שבו הוא “אמור” להיות. לפגם זה תכונות ייחודיות שהחוקרים ניצלו כדי להפוך אותו למייזר יעיל ולא רועש המגביר אותות מיקרוגל.

לדברי החוקרים, ההתקן החדש יכול לשמש להדגמת תופעות נוספות כגון ריבוי-הדים וסופר-קרינה, העשויות להיות חיוניות באלקטרודינמיקה קוונטית, והוא יכול לשמש גם כמַתְנֵד (oscillator) – מחולל גלים. להערכתם, הפיתוח האמור יוביל להישגים חדשים במדעי הקוונטום, בהנדסה וביישומים פיזיקליים שונים.

המחקר נתמך על ידי הקרן הלאומית למדע ורשות החדשנות במסגרת מחקר בשיתוף פעולה עם חברת אלת”א של התעשיה האווירית.

למאמר ב– Science Advances – לחצו כאן

 

אומנם כל הנחלים זורמים לים – אבל בישראל גם הים עצמו זורם, לברזים של כולנו. כמו שהישראלים אוהבים להתגאות, מדינתנו הקטנה היא מעצמה בכל הנוגע להתפלת מים, עם חמישה מתקני התפלה שפרוסים לאורך הים התיכון ושמפיקים כ-75 אחוז מצריכת מי השתייה במדינה, ועם התכנון להקים שניים נוספים בשנים הקרובות.

פתרון מושלם לארץ מדברית? ייתכן, אבל שום דבר לא בא בחינם: כדי להפוך את מי הים או מים מליחים לראויים לשתייה, מתקני ההתפלה בישראל צורכים חשמל רב. המצאה חדשה, שהוצגה לאחרונה בכנס הארצי הדו-שנתי לתלמידי מחקר במכון לחקר המים ע”ש גרנד בטכניון, מציעה לפתור את הבעיה האנרגטית, וייתכן שאף לחולל מהפכה בזמינות של התפלת מים ברחבי העולם. כך, חוקרי הטכניון מתפילים מים בעזרת טורבינת רוח ייחודית שפועלת ללא כל שימוש בחשמל, שהיא זולה וקלה לשימוש ולתחזוקה.

נעים להכיר – טורבינת ציר אנכי

כמות החשמל שנצרכת כיום על ידי תהליכי ההתפלה עומדת על כ-3.5 קילוואט-שעה (קוט”ש) עבור כל מטר מעוקב של מים. לשם המחשה, ב-2015, כ-4 אחוזים מכלל החשמל שהופק בישראל שימש לצרכי התפלה. בנוסף למחיר הסביבתי הכבד של צריכת האנרגיה הנרחבת, שמיוצרת בישראל ברובה על ידי שריפת דלקי מאובנים, הצורך בחשמל רב הופך את הטכנולוגיה של התפלת וטיהור מים לקשה להשגה עבור יותר ממיליארד איש ברחבי העולם שאין להם גישה למים נקיים.

במרכז ההמצאה החדשה עומד השימוש בטורבינת רוח מסוג שלא רבים מכירים – טורבינת ציר אנכי. הסיבוב בטורבינות אלה מתבצע מסביב לציר שמאונך לקרקע (כדי להבין את כיוון תנועת להבי הטורבינה, דמיינו אדם שרץ סביב עמוד חשמל) – זאת בניגוד לטורבינות הרוח המוכרות יותר, שמסתובבות סביב ציר אופקי.

למרות הדומיננטיות של טורבינות ציר אופקי, לחברותיהן אנכיות הציר יש מספר יתרונות משמעותיים – שהראשון שבהם הוא מהירות הסיבוב האיטית שלהן. “קצה הכנף של טורבינה ‘רגילה’ מסתובב במהירות שגבוהה בערך פי 7 ממהירות הרוח שמגיעה אליה, בעוד שהקצה של הטורבינה שלנו מסתובב בערך באותה מהירות כמו הרוח – כלומר, עד פי 7 לאט יותר מטורבינות רוח מסורתיות”, מסביר דוד קייסר מהפקולטה להנדסת מכונות בטכניון, שעמד בראש המחקר תחת הנחיית פרופ’ דוד גרינבלט, במסגרת עבודת הדוקטורט שלו בתוכנית לאנרגיה של הטכניון – GTEP. “טורבינות ציר אנכי יכולות לפעול היטב גם במהירויות רוח נמוכות, ולהיות יעילות מאוד בהפקת אנרגיה ביחס למהירות הסיבוב שלהן וגודלן”. לדברי קייסר, קצב הסיבוב האיטי הופך את הטורבינה עם הציר האנכי לשקטה בהרבה מהטורבינות אופקיות הציר, ובנוסף לבטוחה לציפורים – שמסוגלות לראות את הלהבים ולא נתקלות בהם.

לפי קייסר, יתרון נוסף של הטורבינות אנכיות הציר מצוי בכך שהסיבוב מתרחש במאונך לקרקע, בעמוד שנמתח לאורך כל גובה הטורבינה – כך שאפשר למקם את הגנרטורים שבהם מיוצר החשמל או את המכשירים שמשתמשים באנרגיה הסיבובית סמוך לקרקע, ואין צורך להציב אותם בראש הטורבינה כמו באלה בעלות הציר האופקי. הדבר מקל על ההתקנה והתפעול השוטף שלהם.

יתרון משמעותי אחרון הוא שטורבינות ציר אנכי יכולות לקבל רוח מכל כיוון כדי להסתובב. טורבינות ציר אופקי פועלות בצורה אופטימלית כשחזיתן פונה בדיוק אל כיוון הרוח או בדיוק בניגוד לכיוון הרוח (בהתאם לעיצובן). אפשר לחשוב עליהן כמו על מאוורר הפוך – במקום להשתמש בחשמל כדי לסובב להבים שמביאים לייצור רוח, שנושבת לכיוון שאליו פונה חזית המאוורר – רוח שמגיעה אל החזית מביאה לסיבוב הלהבים, מה שמייצר חשמל. בניגוד לאופן הפעולה הזה, להבי הטורבינות אנכיות הציר יכולים להסתובב מרוח שמגיעה משלל כיוונים שונים.

טורבינות למערכות קטנות

עם כל היתרונות הללו, מתבקש לשאול: מדוע לא משתמשים תמיד בטורבינות ציר אנכי במקום באופקיות הציר המוכרות? “טורבינות ציר אופקי הן עדיין טובות יותר עבור ייצור של כמויות גדולות של אנרגיה, והן היעילות ביותר מבחינה כלכלית בגדלים גדולים”, מסביר קייסר. בנוסף, לדבריו, הציר והמסבים (חלק שמקטין את החיכוך בעת הסיבוב) של טורבינות רוח אנכיות-ציר נוטים להתפרק ולהיהרס מהר יותר מאשר אצל מקבילותיהן בעלות הציר האופקי.

“עם זאת, הבעיה הזאת מתרחשת בעיקר כשהטורבינות אנכיות הציר גדולות”, אומר קייסר. “כשהן קטנות הן עובדות טוב ולא נהרסות במהירות”. לכן, כשמדובר במערכות קטנות שנועדו לשימוש במקומות נידחים, על ידי אנשים שהם לא מקצוענים בתפעולן – היתרונות של טורבינות ציר אנכי, שכאמור פעילות גם במהירויות רוח נמוכות שמגיעות מכל כיוון שהוא וקלות להתקנה ולתפעול, הופכים אותן לעדיפות על פני הטורבינות אופקיות הציר.

טורבינה קטנה יכולה לספק מים לקהילה

מטרת המחקר החדש הייתה לפתח מערכת התפלת מים פשוטה וקטנה שמונעת ישירות מאנרגיית רוח. החוקרים התמקדו בהתפלת מים מליחים, ששיעור המלחים בהם עומד על עד 1 אחוז (כששיעור המלחים במי ים עומד על מעל 3 אחוזים). “הבנו שבטורבינות רוח ציר אנכי אפשר לעשות חיבור מכני ישיר (כלומר, ללא צורך להפיק חשמל ואז להניע באמצעותו את המשאבה, י.ש.) של משאבות מים שנמצאות על הקרקע לציר הסיבוב, וכך להניע את תהליך ההתפלה”, מספר קייסר. כלומר, ציר הסיבוב של להבי הטורבינה מחובר ישירות לציר משאבת המים. בשלב הראשון, החוקרים חיברו משאבת מים לטורבינת ציר אנכי שאותה הציבו במנהרת רוח (מעין צינור גדול שמאוורר פועל בפתחו, שמייצר רוח במהירות נשלטת). הם ביקשו לבדוק אם המערכת יכולה לפעול בצורה אופטימלית ללא מערכות בקרה אלקטרוניות שמתאמות את הפעילות של הטורבינה והמשאבה – שדורשות חשמל.

לצערם של החוקרים, התוצאות של הניסוי הראשון היו מאכזבות. “בערך 3 אחוזים מהאנרגיה של הרוח הפכה לכוח הידראולי (כוח שאיבת מים, י.ש.) – שזה ממש לא יעיל”, מסביר קייסר. “לקח לנו זמן להבין מה השתבש: הגודל של הטורבינה היה קטן מדי עבור המשאבה, והמשאבה לא הייתה מתאימה מספיק למערכת”.

עם זאת, החוקרים לא התייאשו. בניסוי השני הם השתמשו בטורבינה ייחודית, גדולה ויעילה יותר, שפותחה במעבדתם: טורבינה בגודל מטר על 80 סנטימטר, שעושה שימוש במערבולות אוויר כדי לשפר את היעילות שלה. בנוסף, הם בנו על בסיס תוצאותיהם הקודמות מודל מתמטי שמעריך בצורה טובה יותר איזו משאבת מים נדרשת להם. הם חיברו את המשאבה למים מליחים ולמערכת התפלה באוסמוזה הפוכה – שיטת ההתפלה המרכזית שבה נעשה שימוש כיום בישראל ובעולם. בשיטה זו, מי ים או מים מליחים מועברים בלחץ גבוה דרך ממברנה מוליכה למחצה: מים יכולים לעבור בה באופן חופשי, אך כ-99 אחוז מהמלחים נחסמים על ידה. אחרי המעבר בממברנה המים נקיים כמעט לגמרי ממלחים ואפשר לשתות אותם.

הפעם, הניסוי הסתיים בהצלחה אדירה. “הצלחנו לייצר מערכת שממירה כ-17-12 אחוז מאנרגית הרוח ישירות לכוח הידראולי, עבור כמעט כל מהירות רוח ועבור טווח מליחויות רחב במיוחד”, אומר קייסר. “הדבר יעיל באותה המידה – או אפילו יותר – מהפקת חשמל מרוח ואז המרה שלו לאנרגיה הידראולית במשאבה חשמלית”, מספר קייסר. “כך לדוגמה, כשמהירות הרוח עומדת על חמישה מטרים לשנייה – מהירותה הממוצעת אצלנו בחיפה – המערכת מסוגלת להפיק בין 1,000-500 ליטר של מים מותפלים ביום ולהסיר כ-98.5-93 אחוז מהמלחים (כתלות במליחות המים ובלחץ שלהם)”. אומנם מדובר בכמות צנועה של מים, אך יש לזכור שהניסוי כלל מערכת הדגמה קטנה בלבד. בשלב הבא, החוקרים מתכננים לבנות מערכת גדולה יותר ולבחון את הפעולה שלה בנגב או בערבה, כדי לדמות פעילות באזורים נידחים שבהם יש צורך במערכת להפקת מי שתייה מתוקים לקהילות נזקקות.

בשורה לנזקקים למים נקיים

המערכת הפשוטה שפיתחו החוקרים עשויה להוות בשורה אמיתית לאוכלוסיות עניות-אנרגטית ברחבי העולם, שאין להן גישה למים מתוקים ונקיים. לפי האו”ם, מדובר בכ-1.2 מיליארד איש כיום – ועל פי התחזיות, בכ-1.6 מיליארד איש ב-2030. “בעצם, כל המערכת שפיתחנו עובדת בלי ייצור חשמל ובלי צורך לחבר אותה לרשת חשמל או למערכת אגירת אנרגיה”, אומר קייסר. “המערכת קטנה וזולה יחסית כי היא לא כוללת שום רכיבים אלקטרוניים. עקב כך שהיא מכנית, היא גם הרבה יותר קלה לתפעול ולתיקון, וגם אנשים שאין להם הכשרה רחבה יכולים להקים אותה ולטפל בה”.

בימים אלה, החוקרים נמצאים בעיצומו של תהליך הוצאת פטנט, כדי שיוכלו להפוך את המערכת למסחרית. הם מקווים להציב תוך שנים בודדות מערכות ראשונות שיספקו מים מתוקים באופן רציף בשטח. לפי קייסר, התפלת מים היא לא הייעוד היחיד שיהיה למערכות הללו: “הן יוכלו לשמש גם לשיפור איכות מי השתייה באופן כללי – אפשר יהיה לחבר אותן למתקנים שיכולים לנקות זיהומים מסוגים שונים וכך לטהר את המים”, הוא אומר. “הרעיון הוא לפתח מערכות שונות של שילוב טורבינות ציר אנכי עם מתקני טיהור מים, שכולן יהיו פשוטות, זולות וקלות לתפעול”.

הכתבה הוכנה על ידי זווית – סוכנות הידיעות של האגודה הישראלית לאקולוגיה ולמדעי הסביבה

יהונתן שר, זווית