סיקור מקיף

מנועים שקטים

חוקרים בנו מודל מתמטי לבניית תרמופונים, שעשויים לבטל את הרעש שנגרם ממנועים של מכוניות, מטוסים, ועוד

הרכבת מנוע במפע מכוניות בסין.   <a href="https://depositphotos.com. ">איור: depositphotos.com</a>
הרכבת מנוע במפע מכוניות בסין. איור: depositphotos.com

מנוע טורבינה הוא שם כולל למשפחת מנועים המכילים טורבינה – רכיב סיבובי הממיר את האנרגיה הקינטית של תערובת גזים שרופים (דלק ואוויר) לאנרגיה מכנית סיבובית, ומניע את רכיבי המנוע.  המעבדה לטורבו-מכונות ומעבר חום בפקולטה להנדסת אווירונאוטיקה וחלל בטכניון, היא אחד הגופים האקדמיים העיקריים למחקר יישומי בתחום טורבינות גז בישראל. חוקרי המעבדה מתמקדים במנועים זעירים (מיקרו-טורבו-מכונות), אשר משמשים בעיקר לייצור חשמל מבוזר, הנעת כלי טיס קטנים ובהם מל"טים, יישומים ימיים ועוד. בנוסף לטורבו-מכניקה, עוסקים מחקרי המעבדה  בפיזיקה של מעבר חום, שבין השאר מתארת תהליכי חימום וקירור במוצק ובגז, ובפיתוח שיטות מדידה חדשניות – של טמפרטורות, לחצים ומאפייני זרימת אוויר.

אומר ראש המעבדה, פרופ' בני צ'וקורל: "אחת הבעיות במכונות הקטנות היא מדידת מאפייני זרימת אוויר בשיטות המוכרות. כך למשל, חיישנים שונים יכולים להפריע לזרימת האוויר במנוע קטן, וביצועי המכונה ייפגעו משמעותית. לכן אנחנו מפתחים שיטות מדידה אופטיות, לא חודרניות, המותאמות לגיאומטריה קטנה".

מחקרם האחרון של פרופ' צ'וקורל וצוותו, ובו המהנדס שאחראי על ביצוע המחקר, בוריס לייזרונוק, עוסק בתחום התרמו-אקוסטיקה – המרת גלים תרמיים (חום) לגלי קול. דוגמה לתהליך תרמו-אקוסטי היא חימום לסירוגין של שכבת מתכת דקה שגורם לשינויי טמפרטורה באוויר שסביבה. אוויר זה מתחמם והלחץ שלו משתנה בהתאם. תוצר שינויי הטמפרטורה והלחץ המחזוריים הוא גלי קול. נכון להיום, אין מודל מדעי – תיאוריה פיזיקלית אחידה – שמתאר תהליכי תרמו-אקוסטיקה שכאלו באופן כללי, מרגע החימום ועד להיווצרות גלי הקול. במחקר, שזכה במענק מהקרן הלאומית למדע, מנסים המדענים להבין לעומק את הפיזיקה של התהליכים הללו. זאת, מכיוון שרוב המחקרים שעוסקים בתחום זה מניחים שניתן לתאר תהליכי תרמו-אקוסטיקה בעזרת חוק פורייה (על שם הפיזיקאי הצרפתי ז'וזף פורייה) – שקושר את שינויי הטמפרטורה להולכת ומעבר חום (מוליכות תרמית). אבל האם חוק זה תקף לגופים שגודלם ננומטרי?

תרמופון במהלך ניסוי במעבדה

אומר המהנדס בוריס לייזרונוק: "בעת חימום יש שני תהליכים שונים – התחממות ומעבר המידע עליה. חוק פורייה מניח שההתחממות תלויה ישירות בגודל הפיזי של הגוף ומעבר המידע עליה הוא מהיר מאוד בכל מקרה. אבל בגופים קטנים מאוד, למשל תרמואקוסטיים, שני התהליכים מתרחשים בו-זמנית ומעבר המידע לאו דווקא מהיר, כפי שגם ראינו בניסויים, ולכן החוק אינו תקף לגביהם".

במחקריהם מנסים החוקרים לתאר את הזמן שבו המידע על התפשטות החום עובר בגופים תרמואקוסטיים כגון תרמופון – רמקול שמייצר גלי קול (צליל) מחום. כך הם מקווים לבחור חומרים לייצור תרמופונים יעילים, שיוכלו ליצור צליל חזק מהזנת אנרגיה נמוכה יחסית ולשמש לביטול רעש סביבתי, למשל כזה הנגרם ממנועים של מטוסים.

"אנלנו מקווים לבנות התקנים משתיקים שאפשר יהיה להכניסם לנקודה שבה הרעש נוצר, למשל בתוך מנוע סילון, וכך לבטל אותו. שכן רעש סביבתי לרוב מהווה מפגע; ישנם שדות תעופה שאינם מורשים לפעול בלילה בשל קרבתם לשכונות מגורים. אם נגרום למנועים לפעול בשקט, שדות התעופה האלה יוכלו לעבוד 24 שעות ביממה", מסביר לייזרונוק.

המודל שפיתחו המדענים יאפשר לדעת, למשל, מאילו חומרים כדאי לבנות את התרמופונים כך שיגרמו להשתקת רעש מקסימלית

התרמופונים מייצרים גלי קול וכך יכולים להשתיק את גלי הקול החיצוניים (הרעש). שכן, אם שני גלים באותו תדר מולבשים בפאזה הפוכה, נוצרת התאבכות הורסת, כך שהם מבטלים זה את זה – דבר שמתבטא בהשתקה של הרעש. לכן, בשל עיקרון הפעולה שלהם ובשונה מרמקולים רגילים, ניתן להתקינם ולהפעילם בתוך מנועים וכך הם יכולים להיות מבטלי רעש יעילים.

במחקרם האחרון פיתחו החוקרים מודל מתמטי שמאפיין את הביצועים האקוסטיים של תרמופונים שכאלו. כך למשל, הוא מאפשר לתאר את גלי הקול שנוצרים מחימום חומרים שונים (למשל מתכת דקה ומוליכה כמו זהב, נחושת או פלטינה) ובוחן השפעה של  משתנים כגון צפיפות החומר, מוליכות תרמית או חשמלית וקיבולת חום על הפלט האקוסטי. באמצעות מודל זה ניתן יהיה לדעת, למשל,  מאילו חומרים כדאי לבנות את התרמופונים כך שיגרמו להשתקת רעש מקסימלית. עם סיום בניית המודל מתכננים החוקרים לבחון אותו בניסויים ולהתבסס עליו לצורך בניית התרמופונים. "כרגע המודל עדיין בשלבי מחקר", אומר פרופ' צ'וקורל, "אמנם הוא נבדק בכמה ניסויים ראשונים שבהם הוכחנו שצפיפות החומר צריכה להיות כמה שיותר גדולה לצורך ביטול רעש, אבל אנחנו צריכים לערוך ניסויים נוספים ולבחון עוד משתני חומר".

החיים עצמם:

צוות המחקר. פרופ' צ'וקורל, בשורה הראשונה, משמאל

פרופ' בני צ'וקורל, בן 38, נולד בטורקיה ועלה לארץ לפני כעשור, מתגורר בקיבוץ נחשולים. אוהב לצלול, להפליג ולשחק כדורסל.

בוריס לייזרונוק, בן 34, נשוי ואב לבת (בת שנתיים וחצי), נולד בבלארוס ועלה לארץ ב-1998, מתגורר בנהריה. אוהב לקרוא ולשחק במשחקח מחשב.

עוד בנושא באתר הידען:

דילוג לתוכן