כל חומר מתנדף לו, אך כיצד בדיוק?

הדמיות מחשב שבוצעו ע”י מדענים מהמכון לכימיה פיסיקלית של האקדמיה הפולנית למדעים הוכיחו כי המודלים התיאורטיים הקיימים היום באשר לתופעת ההתאיידות מתבססים על השערות שגויות

התנדפות הינה תופעה נפוצה בטבע ומזה כמאה ושלושים שנים נראה כי המנגנון שלה הובן כהלכה. אולם, הדמיות מחשב שבוצעו ע”י מדענים מהמכון לכימיה פיסיקלית של האקדמיה הפולנית למדעים הוכיחו כי המודלים התיאורטיים הקיימים מתבססים על השערות שגויות. תודות להדמיות, ניתן היה לקבוע מהם המנגנונים המדויקים האחראיים להתנדפות טיפות לתוך ריק או לתוך סביבה הרוויה באדי הנוזל הנבדק. יחד עם זאת, המנגנון בעל התפקיד המכריע במקרים של התנדפות לתוך תערובת של גזים, כדוגמת האוויר שאנו נושמים, עדיין אינו ידוע.

התנדפות מתרחשת תדיר בכל מקום בסביבה שלנו. לתופעה תפקיד חשוב בהיווצרות של המערכות האקולוגיות בכדור-הארץ, ובתהליכי החיים של אורגניזמים רבים – לרבות בני-אדם, אשר בדומה לבע”ח רבים אחרים משתמשים בתהליך זה על-מנת לייצב את טמפרטורת גופם.

“הפרסום המדעי הראשון שדן במנגנון ההתנדפות נכתב ע”י הפיסיקאי הידוע ג’יימס קלרק מקסוול. הצלחנו להראות כי בפרסום זה חלה טעות שהמשיכה ותפסה לה אחיזה גם במשך 130 השנים שלאחר-מכן,” אומר פרופסור Robert Hołyst מהמכון לכימיה פיסיקלית באקדמיה הפולנית למדעים. הדמיות מחשב, שהושלמו זה מכבר, סיפקו פיתרון לחלק מהמידע שהיה חסר לגביי ההתנדפות של נוזל לתוך ריק או לתוך אדי הנוזל עצמו. עכשיו, מתכננים החוקרים סידרת ניסויים שתאמת את התיקונים שהוכנסו בעקבות ההדמיות למודל המתאר את מנגנון ההתנדפות של טיפות מים לאוויר.

כשבעים אחוזים מכדור-הארץ מכוסים ע”י אוקיאנוסים וימים אשר מתנדפים ללא הרף. מאחר וחום האידוי של מים גבוה מאוד, ההתנדפות קובעת במידה רבה את האקלים ע”פ כדור-הארץ. יתרה מכך, תכולת אדי המים – גז החממה העיקרי – באטמוספרה משתנה כתוצאה מהתנדפות זו. ריכוז אדי המים באוויר עשוי להגיע לרמה של כארבעה אחוזים – ערך שהוא גבוה פי מאה מהערך של גז החממה הידוע לשמצה פחמן דו-חמצני. לפי מספר אומדנים, אם לא הייתה קיימת כלל התנדפות של מים לאוויר, הטמפרטורה ע”פ כדור-הארץ הייתה פחותה בעשרים עד שלושים מעלות צלסיוס.

למרות שתהליך ההתנדפות נפוץ ובעל תפקיד חשוב בסביבה, תשומת לב מועטה בלבד הופנתה לתופעה. “גם המחקרים שלנו צמחו במקרה, כפי שקורה לעיתים קרובות במדע,” אומר החוקר הראשי. “לפני מספר שנים המכון שלנו היה צריך לבדוק תוכנה חדשה לחישובים הקשורים לזרימת נוזלים. אנו החלטנו לבחון את התוכנה המדמה באמצעות בעיה ידועה. בחרנו בהתנדפות מכיוון שסברנו שתופעה כה נפוצה וכה ידועה תוביל לתוצאות ברורות. אולם, לאחר שביצענו את החישובים באמצעות נוסחאות מוכרות, הבנו כי קיימת חוסר-התאמה.”

המדענים הפולנים פיתחו מודל תיאורטי משל עצמם המסביר את התופעה ובשלב הבא ביצעו הדמיות מחשב המתייחסות לתהליך של התנדפות ננו-טיפות לתוך ריק או לתוך האדים שלהן עצמן. נקודת ההתחלה הייתה טיפת נוזל הכלואה בכלי סגור, אשר נמצאת בשיווי-משקל עם האדים שלה. בחלק מההדמיות דופנות הכלי חוממו, בחלק אחר האדים הורחקו ובחלק נוסף האדים הורחקו אך הטמפרטורה נותרה קבועה.

במהלך ההתנדפות, האירועים המרתקים ביותר מתרחשים בגבול שבין הנוזל לאדים. העובי של ממשק זה שווה לקוטר של אטום יחיד. הדמיית התנדפות בקובייה קטנה יחסית בעלת פאות באורך של מטר תחייב חישוב של עשרות מיליארדי נקודות לאורך כל אחד משלושת צירי המימדים. בשלב זה, המספר הכולל של נקודות החישוב יגיע למיליארדי ביליונים, מספר החורג מיכולות החישוב של מחשבים קיימים או עתידיים. במטרה להתמודד עם אתגר זה, מדעני המכון בחנו מערכת שגודלה סנטימטר אחד בלבד, שבה מנדפים טיפה בעלת קוטר של כשבעים מיקרומטרים. בנוסף, בשל שיקולי סימטריה, ניתן היה להפחית את התיאור התיאורטי משלושה מימדים למימד אחד בלבד. תוצאות ההדמיה תאמו לחלוטין את המידע הזמין שהתקבל מהמדידות.

“מקסוול הניח כי ההתנדפות מתרחשת בטמפרטורה קבועה. הדבר אכן כך, אם אנו בוחנים את המצב ההתחלתי, כלומר הנוזל, ואת המצב הסופי, כלומר האדים. אכן, הטמפרטורות של שני המצבים שוות. אולם במהלך תהליך ההתנדפות הטבע פועל בדרך שונה לחלוטין,” מסביר אחד מצוות החוקרים.

התיאור הקיים מניח כי מעבר החום במערכת הינו יציב וכי קצב ההתנדפות מוגבל ע”י יעילות התהליך שבו החלקיקים ניתקים ממשטח האדים, כלומר תהליך הדיפוזיה. אולם, על בסיס ההדמיות שבוצעו במכון התגלה כי במהלך ההתנדפות לתוך ריק או לתוך אדיו של הנוזל עצמו, המערכת מגיעה לשיווי-משקל מכאני במהירות רבה. חלקיקים ניתקים ממשטח הנוזל והרתיעה המכאנית שלהם מאפשרת השוואת לחצים פנימית בתוככי הטיפה. אם קצב ההתנדפות של המשטח היה מגיע לערכו המרבי והמערכת עדיין לא הייתה מסוגלת לאזן את הלחצים, אזי הטיפה הייתה מתחילה לרתוח. מאידך, החוקרים גילו כי שיווי-המשקל המכאני של הלחצים עשוי להיות בלתי-מספק ואז הטמפרטורה של משטח הנוזל פוחתת: הטיפה נוטה לשמר את שיווי-משקל הלחצים שבה על חשבון האנרגיה הפנימית שלה. מכאן, קובעים החוקרים, הממצאים מרמזים כי הגורם המכריע במהלך תהליך ההתנדפות אינו הדיפוזיה של החלקיקים לסביבה, אלא דווקא מעבר החום ושיווי הלחצים. בשלב הבא החוקרים מתכננים לבחון את המערכת שבה מתרחשת התנדפות לתוככי תערובת של גזים, ובמיוחד – האוויר.

לסיכום – הבנה מעמיקה יותר של המנגנונים הפיסיקליים האחראיים לתהליך ההתנדפות תשפיע על תחומים רבים של פעילויות האדם – מודלים אקלימיים טובים יותר יאפשרו קבלת תחזיות מזג-אוויר מדויקות יותר, הן לטווח קצר, והן לטווח ארוך יותר, יתאפשר פיתוח של התקנים יעילים יותר לקירור מעבדי-מחשב, ולפיתוח של לייזרים חדשים. מאחר וההתנדפות של מיקרו-נוזלים של דלק במנועי רכבים המוזרקים לתוככי תא הבעירה חייבים לבוא לאחר ההצתה, התובנות בדבר המנגנונים המדויקים של ההתנדפות תתרומנה רבות גם לשיפור היעילות של הרכבים בעתיד מההיבט של חיסכון בדלק.

“המחקר שלנו מוכיח כי עדיין שווה לבחון מחדש נוסחאות נושנות,” מסכם החוקר הראשי.

הידיעה על המחקר