במחצית המאה ה-19, חי בצ'כיה של היום הנזיר האוגוסטיני גרגור מנדל. פרט להיותו כומר, ומאוחר יותר גם אב המנזר, ניחן מנדל הצעיר בסקרנות, שהובילה אותו לביצוע ניסויים רבים בהכלאת זנים של אפונה ריחנית. בניסויים אלה קבע מנדל את הכללים הבסיסיים בהורשת תכונות מהורים לצאצאיהם. מאוחר יותר, והרבה יותר מדי מאוחר, השכיל עולם המדע להבין את תגליותיו של מנדל. הוא כונה "אבי הגנטיקה החדשה" ומדענים החלו לפעול על-פי כלליו. וראה זה פלא: הוברר כי בהכלאת שני זנים חזקים, מתקבל צאצא חזק יותר, המשלב את התכונות החזקות של שני הוריו. מאז ועד היום התקדם המדע בצעדים גדולים, והיום כבר אין מסתפקין בהכלאות של תכונות טבעיות, אלא מייצרים אותן במעבדה בהנדסה גנטית.
ומה לנו ולביולוגיה, בשעה שעסקינן במכונולוגיה?
בכתבה הקודמת דנו ביתרונות וחסרונות מנועי השריפה הפנימית וההנעה החשמלית – מצד אחד, אלה מזהמים ומרעישים, אך עתירי ביצועים וטווח, ומצד שני אלה שקטים ונקיים, אך מוגבלי ביצועים, טווח ולוגיסטיקה. לפיכך, שנו חכמינו (היושבים בק"ק דטרויט, שטוטגרט, טוקיו ושאר קהילות קודש): מדוע מה שהיה טוב למנדל עם אפונתו הריחנית, לא יהיה טוב גם לנו? אמרו ועשו.
בן כלאיים
שילוב הנעת דלק והנעה חשמלית נמצא היום עדיין בחיתוליו. קיימות שתי שיטות עיקריות בתחום: הנעה מקבילית, בה המנוע החשמלי וגם מנוע השריפה מחוברים לתיבת ההילוכים, והנעתה מתבצעת על-פי תנאי הנסיעה. בעיר ההנעה חשמלית ומחוצה לה היא נעשית על-ידי מנוע הבנזין, שגם יטען את המצבר. בהנעה טורית, מנוע השריפה מסובב גנרטור, הטוען את המצבר, שמפעיל מנוע חשמלי, המניע את המכונית.
היתרונות בהנעה היברידית (מוכלאת) ברורים: מנוע השריפה הפנימית יכול להיות קטן יותר ועל כן מזהם פחות. בתנועה עירונית מנוע החשמל יעיל מספיק, וללא כל פליטת מזהמים. התכונה המאפשרת לנצל חלק מהאנרגיה שהרכב מאבד בעת בלימה לטובת אגירתה במצבר, באמצעות שימוש במנוע החשמלי כגנרטור, מוסיפה אף היא ליעילות ההנעה. במקרה הצורך ניתן להשתמש בשני המנועים במקביל (בהנעה המקבילית) לתוספת כח לזמן מוגבל.
צילום: מנהל
טויוטה פריוס חיווי רגעי אודות פעולת המנועים
אלא שלהנעה ההיברידית גם חסרונות – היא אינה מבטלת לחלוטין את השימוש במנוע שריפה פנימית, על מגרעותיו, וביצועיה נחותים משל מנוע שרירי גבה-אוקטן. על מנת להתגבר על החסרונות, נדרשו מתכנני הרכב ההיברידי לפתרונות יצירתיים: עיצוב אוירודינמי להקטנת התנגדות האוויר, שהיא הגורם העיקרי המתנגד לתנועה בנסיעה מהירה, שימוש בצמיגים בעלי התנגדות גלגול קטנה ומעבר לחומרי מבנה קלים, כמו סיבי פחמן, אלומיניום ומגנזיום.
בסריקת השוק, נמצא כמה מכוניות היברידיות, אך בחרנו להתייחס לשתיים בולטות:
הונדה אינסייט ו
טויוטה פריוס. ההונדה מונעת באופן מקבילי על-ידי מנוע 1.3 ליטר עם 88 כ"ס ומנוע חשמלי, המחובר לגלגל התנופה של המנוע הרגיל, ומוסיף לו עוד 14 כ"ס, בעת הצורך. עם זה, המנוע החשמלי לבדו אינו מסוגל להניע את הרכב, אך הוא חוסך את הצורך במתנע, ומאפשר מיחזור חלק מהאנרגיה בבלימה.
טויוטה, לעומתה, הלכה בגדול: מרכב הדומה במימדיו לקורולה, עם הנעה מקבילית של מנוע בנזין 1.8 ליטר עם 136 כ"ס ומנוע חשמלי של 82 כ"ס.
שני המנועים והגנרטור משודכים למכלול העברת תנועה משותף, הפועל כתיבת הילוכים רציפה. מכלול זה, גאוני לכשעצמו, פועל כמו מערכת פלנטרית: מחוברים אליו שני המנועים וכן הגנרטור. בכל פעם שעוצרים אחד מרכיבי המערכת הפלנטרית, תועבר התנועה לגלגלים דרך הרכיב השני, או שהסיבוב יופנה לגנרטור, לטעינת המצבר. בצורה זו, יכול המנוע לעבוד בתצורת הנעה טורית או מקבילית. זה נשמע מסובך, וזה אכן כך.
יצרניות הרכב האמריקאיות, לאור התקנים המחמירים (בעיקר בקליפורניה), לא יכלו להישאר מאחור. פורד, לדוגמא, העלתה על הכביש בשנת 2003 את דגם האסקייפ HEV - Hybrid Electric Vehicle. זהו רכב ה-4X4 הראשון בעל הנעה היברידית: מנוע 4 צילינדרים 2 ליטר ומנוע חשמלי, המשמש גם לנסיעה עירונית וגם לתגבור המנוע הקונבנציונלי, כשצריך. הבלמים הקדמיים בנויים לנצל את אנרגיית הבלימה לטעינת מצבר הניקל-מתכת-הידריד בעל ה-300 וולט. צריכת דלק היא כ-65 ק"מ לליטר בנסיעה עירונית ו-48 ק"מ לליטר בכביש הפתוח. רגע, מחוץ לעיר צריכת דלק גבוהה יותר? אכן כן – ההנעה החשמלית הופכת את היוצרות...הטווח על מיכל דלק אחד הוא מעל ל-800 ק"מ.
בתי הזיקוק יקנו את חירייה
אפשרות נוספת לדלק בעל פליטת מזהמים נמוכה הוא המתנול (כוהל מתילי). המתנול הוא האלכוהול הפשוט ביותר – אטום אחד של פחמן, אחד של חמצן וארבעה של מימן, ללא טעם וצבע אך עם ריח נדיף אופייני. המתנול מופק ממגוון מקורות: גז טבעי, פחם או עץ. ניתן גם להפיק מתנול מגז המתאן, הנמצא בשפע בערמות האשפה המצחינות של חירייה ושאר המזבלות, והנוצר כתוצאה מהתפרקות החומרים האורגניים שבאשפה. החדרת צינורות למעבה הר האשפה מאפשרת למתאן להתנקז כלפי מעלה, ומשם ניתן לאספו ולהעבירו לבתי הזיקוק לצורך הפיכתו למתנול. יופי. אז מה ובמה הוא טוב?
נתחיל בסיבת המסיבה: זיהום אויר – המתנול נמוך בפליטת מזהמים, כמו חלקיקי פיח, הידרוקרבונים (HC), תחמוצות גופרית, כמעט ללא תחמוצות חנקן וכשליש פחות CO2 מאשר במנוע בנזין. אך למתנול יתרונות נוספים: מעבר ליכולת להפיקו ממקורות נוספים, פרט לנפט המתדלדל והמחזיק את העולם המערבי במבושיו, המתנול בטיחותי מבנזין, שכן הוא פחות "פציץ", באוקטנו הגבוה הוא מספק ביצועי תאוצה יוצאים מן הכלל (לא לחינם יש המוסיפים מיכל מתנול לרכבם להזרקתו בעת הצורך; אך ראו הוזהרתם – אין זה עניין להתקנה חובבנית!) ומבחינה כלכלית המתנול בעל מחירים תחרותיים לבנזין.
צילום: מנהל
פורד אקו-גייד: משלבת ומשלהבת את הנהג ביצר החיסכון
בשל תכונותיו הבטיחותיות וביצועיו, המתנול הוא הדלק בו משתמשות מכוניות האינדי בארה"ב. בנוסף, נעות בכבישי ארה"ב, ובעיקר בקליפורניה, 14 אלף מכוניות וכ-400 אוטובוסים מונעים במתנול. היות המתנול נוזלי ובעל תכונות זרימה דומות לבנזין, מאפשרים הסבת משאבות דלק בתחנות ללא בעיה גדולה, לאחר התאמת הצנרת והחומרים לתכונות הכימיות של המתנול, וכבר קיימות תחנות כאלה בארה"ב.
בארץ, לעומת זאת, ייצור המתנול על-ידי בתי הזיקוק הוא די שולי, וכל התוצרת מיועדת לתעשייה הפטרו-כימית. אך אם חשקה נפשכם במעט מתנול, הסתפקו לכם בזה הנמצא בירקות מבושלים ובזה הנוצר במהלך פירוק הממתיקים המלאכותיים הנמצאים במשקאות הדיאט. מתנול לרכב? אצלנו?? – לא בארץ בה השיקולים שונים לחלוטין.
המימן – מלך הכיתה
המימן, שהינו היסוד הנפוץ ביותר ביקום (כ-90% מהחומר בו), על אף שאינו בנמצא באופן חופשי אלא תמיד קשור לחומר אחר, הינו גם הראשון בטבלה המחזורית: החומר הקל ביותר, שיחד עם החמצן, ביחס של שניים לאחד לטובתו, מרכיב את מולקולת המים. היה זה בשנת 1839, כאשר הפיזיקאי האנגלי, סיר וויליאם גרוב, גילה כי ניתן להפיק מטען חשמלי מהחיבור בין מימן לחמצן, וכך היה לאבי המצבר האלקטרו-כימי. התהליך הפוך לתהליך האלקטרוליזה, בו מכניסים לתוך מים שני קטבים חשמליים ומעבירים זרם. הזרם מפרק את המים למימן וחמצן. התהליך שסיר גרוב מצא הוא התהליך ההפוך – חבר את המימן והחמצן למים, ותקבל חשמל. הכל טוב ויפה, אלא שלשם כך נדרשת אנרגיה רבה, שאם לא כן, היינו פותרים את כל בעיות המים בעולם, ואנו דווקא מחפשים מקורות אנרגיה.
נדרשו כ-110 שנים, עד תחילת שנות ה-50 של המאה שעברה (נשמע ארכאי לאללה, לא?) כשבארה"ב התחילו לחשוב איך לשלוח חלליות ולאפשר להן כח חשמלי לאורך זמן, ונזכרו בהמצאתו של גרוב. בשנות ה-60, חלליות ג'מיני ואפולו צוידו בתאי דלק על בסיס מימן, אך רק משבר האנרגיה של שנת 73' החל לדחוף את הנושא.
ואיך משתמשים במימן?
המימן המאוחסן במיכלים (ומאוחר יותר נלמד על רעיונות אחרים להובלתו), מוזרם למפגש מבוקר עם חמצן בתוך "תא הדלק". כאשר הם נפגשים, נוצרים קיטור (אדי מים נקיים ובלתי מזיקים) ואנרגיה חשמלית. אנרגיה זו מופנית למנוע חשמלי.
הבעיה העיקרית עם המימן היא בטיחותית – המימן הוא גז "פציץ" ביותר, ואחסנתו הבטיחותית מהווה אתגר לא פשוט למתכנני הרכב. קיימות מספר שיטות לאחסון המימן: במכלים, בצורה נוזלית בטמפרטורה מאוד-מאוד נמוכה (והקרובה לאפס המוחלט) של מינוס 253 מעלות צלזיוס; בלחץ גבוה; כמימן המופק ממתנול באמצעות מתמיר. מיכלי המימן צריכים להיות מבודדים וכבדים על מנת לשמור את המימן במצב הנדרש ולספק את הבטיחות הנדרשת. גם תשתית לתדלוק במימן היא יקרה יחסית ועל כן צפוי שתשמש בעיקר בציי רכב עירוניים – אוטובוסים ומוניות.
צילום: מנהלבינתיים, מקור האנרגיה נותר כשהיה
ולמה המימן כל כך טוב? שתי סיבות – הראשונה, שנזכרה, היא זמינותו הבלתי מוגבלת, להפקה כמעט מכל דבר. נכון שעל מנת לייצרו בשיטת האלקטרוליזה (פירוק ממים) צריך להשקיע אנרגיה חשמלית, אך ניתן להשיגה ממקורות לא מזהמים, כמו תחנות כח הידרואלקטריות, המופעלות בכח המים היורדים מסכרים, או באמצעות תחנות חשמל אאוליות – שבשבות ענק המופעלות בכח הרוח, כמו באלוני הבשן, ברמת הגולן. במקרים כאלה, מאזן האנרגיה יהיה חיובי – לא נדרשת אנרגיה מזהמת ליצירת הדלק.
הסיבה השניה לשימוש במימן היא ניקיונו המוחלט – אין פליטה כלשהי של מזהמים, שכן החומר היחיד הנפלט, כאמור, הינו אדי מים.
אז מה נשאר לנו? שיטות נוספות לייצור המימן ברכב עצמו, כולל תאי דלק מבוססי ממברנת החלפת פרוטונים (...) וכדורי נתרן המכילים מימן, הנעה סולארית והשוואה בין שיטות ההנעה שנסקרו מבחינת מאזן אנרגיה. על אלה בכתבה הבאה.
