ארכיון
אז מה עושים שם באוניברסיטה? פרק 2: איך להפיק חשמל מאור השמש
נפגשתי עם גדעון שגב כדי לשאול אותו מה עושים שם באוניברסיטה.
גדעון נשוי לאורית ומזה כחודש (בזמן השיחה) אב טרי לכרמל בתו הבכורה. שניהם מאוד אוהבים לטייל ולשחק כדורסל, למרות שלאחרונה קצת קשה להם למצוא זמן פנוי. את התואר הראשון עשה באוניברסיטת בן-גוריון בנגב וכיום עושה את עבודת הדוקטורט שלו בפקולטה להנדסה באוניברסיטת תל-אביב, תחת הנחייתם של פרופ' אבי קריבוס מהחוג להנדסת מכונות ופרופ' יוסי רוזנוקס מהחוג להנדסת חשמל. עיקר עניינו הוא בשאלה איך לנצל את אנרגיית השמש להפקת יעילה של חשמל.
גדעון, אז מה אתם עושים שם?
טוב, ראשית צריך להבין שמטרתו של כל חוקר בתחום שלנו היא למצוא דרכים לגרום לכך שהפקת חשמל מאנרגיית השמש תהיה זולה יותר מהפקת חשמל מפחם. כמו כן צריך להבין שכיום לא ניתן להעביר באופן מלא את הפקת החשמל לשימוש באנרגיה מתחדשת כי יש בעיה של אגירה. יכולות אגירת האנרגיה כיום (הכוונה למצברים וכדומה) עדיין לא מספיק טובות. עם זאת, כיום ניתן לבנות חווה סולארית שתוכל לספק 20-30% מצריכת החשמל הארצית בזמנים מסוימים שבהם נזדקק לה, למשל ביום קיץ חם שבו כל המזגנים פתוחים.
רציתי גם להבהיר שאנרגיה סולארית אינה יכולה לשמש כתחליף לדלקים במכוניות, ולא תפתור את בעיית מחירי הדלק. לפחות כל עוד המכוניות אינן כולן חשמליות. המטרה היא לנסות להחליף חלק מתחנות הכוח הפחמיות.
אוקיי, ספר לי איך הופכים אנרגית שמש לחשמל
ישנן שתי שיטות עיקריות להפיכת אנרגית שמש לחשמל, הראשונה קשורה בחום והשניה קשורה באור.
חלקינו וודאי זוכרים שכילדים היינו משתמשים בזכוכית מגדלת כדי לשרוף דברים. בדומה, השיטה הראשונה היא לרכז את אור השמש לנקודה אחת חמה (בעזרת עדשות או מראות) שבה נחמם נוזל כך שייוצר קיטור. הקיטור יסובב טורבינה בדומה לתחנת כוח רגילה וכך יופק חשמל. תחנת כוח כזאת נקראת תחנה תרמו-סולארית.
בארץ כבר פועלות תחנות ניסיוניות לדוגמא של BrightSource ליד דימונה ו-Aora ליד קיבוץ סמר בערבה.
מגדל שמש ומראות המכוונות אליו את האור באתר SEDC בפארק התעשיות רותם. המקור: ויקיפדיה.
השיטה השניה נקראת המרה פוטו-וולטאית. מדובר בהתקנים מיוחדים שבהם האור שנקלט הופך ישירות לחשמל ללא המרה נוספת בדרך. התקנים אלה בנויים מחיבור בין שני חומרים שונים שביניהם נוצר שדה חשמלי עקב החיבור. לרוב (אבל לא תמיד) מדובר בשתי פיסות סיליקון הנבדלות בסוג החומרים הנוספים שהוכנסו לתוכן. כאשר האור פוגע בסיליקון הוא גורם לשחרור של אלקטרונים. אלקטרונים משוחררים אלה ינועו בעקבות השדה החשמלי הפנימי בכיוון קבוע וכך נוכל לקבל זרם. ישנם רכיבים חשמליים שימירו את הזרם הישר לזרם חילופין ויתאימו אותו לרשת החשמל הביתית.
מערך של תאים פוטו-וולטאים. המקור: ויקיפדיה.
מהם הנושאים שמעניינים את החוקרים בתחום?
אפשר לחלק את מחקר תאי השמש לשתי אסכולות עיקריות. החוקרים באסכולה הראשונה מנסים לייצר את התא הטוב ביותר שניתן, כך שמאותו תא יוכלו לייצר יותר חשמל. החוקרים באסכולה השניה לא מעוניינים בתאים היעילים ביותר אלא בפיתוח התאים הזולים ביותר. כל אסכולה מכתיבה את החיפוש אחר החומרים ותהליכי הייצור המתאימים לה.
מחירם של תאים באיכות גבוהה מאוד (אסכולה ראשונה) הוא בדרך כלל גבוה בהתאמה, ולכן נרצה לנצל אותם באופן מקסימלי. לשם כך רצוי להשתמש בריכוז קרינה על ידי עדשות או מראות. כלומר, אנו נדאג שכמות רבה מאוד של אור שמש תגיע לכל תא. הרווח הישיר הוא בכך שנזדקק למספר נמוך יותר של תאים. מסיבה זאת, חוקרים רבים עוסקים באופטימיזציה של מערכות ריכוז קרינה עבור תאי-שמש. את התאים יש לקרר כדי לא לאבד את הנצילות הגבוהה.
צלחת פרבולית לניצול אנרגיית השמש במרכז מחקר בשדה בוקר. צורתה הפרבולית של הצלחת מביאה להחזרת כל קרני השמש למוקד הפרבולה, ובכך יוצרת בו חום גבוה. המקור: ויקיפדיה.
רגע, רגע, מה זאת נצילות?
הנצילות עונה על השאלה: איזה חלק מהאור שנכנס לתא הופך לחשמל. ההערכה המקובלת בארץ היא שביום שטוף שמש מקבלים על מטר רבוע קילוואט של קרינת אור. אז לדוגמא תא בגודל מטר על מטר ובעל נצילות של 20 אחוז יפיק כ-200 וואט. תא סיליקון סטנדרטי שנמכר לצרכן הוא בדרך כלל בעל נצילות של כ-15%. התא הסיליקון הטוב ביותר שנבנה עד היום הגיע לנצילות של 24%. השיא כיום הוא תא מיוחד (לא תא סיליקון רגיל) שבו, בתנאי מעבדה מסוימים*, נמדדה נצילות של 43%, אך תאים אלה יקרים מאוד ומשמשים כיום בעיקר ללוויינים.
על מה אתה עובד בימים אלה?
באוניברסיטה אנחנו בדרך כלל מחפשים את הדבר הבא בתחום. אחד הפרויקטים שאנחנו עובדים עליו עוסק במציאת דרכים חדשות ויעילות יותר מאלה שדיברתי עליהן להמיר אנרגיית שמש לחשמל. פרויקט זה בעצם לא עוסק בתא פוטו-וולטאי. מדובר בהתקן המורכב משתי פלטות, אחת מתכתית ואחת ממוליך למחצה, וביניהן וואקום. אחת הפלטות מחוממת והשניה מוחזקת בטמפרטורה נמוכה ככל האפשר. קרינת האור הפוגעת בפלטה החמה גורמת לשחרור של אלקטרון בתהליך שנקרא פליטה תרמיונית. בין שתי הפלטות ישנו שדה חשמלי הדואג שהאלקטרון הנפלט יגיע ללוח השני וכך נוצר זרם. כמו כן, מסתבר שככל שמחממים ומקרינים התקן זה בעוצמה גבוהה יותר, כך הוא עובד בצורה יעילה יותר. לפני כשנתיים התפרסם מאמר בכתב-העת Nature materials שהראה שהקרינה הפוגעת בלוח מגבירה בצורה משמעותית את קצב פליטת האלקטרונים.
מחישובים שביצענו הגענו למסקנה שניתן לרכז קרינה על התקן זה כך שהוא יגיע לטמפרטורה הרצויה ויקבל מספיק אור. במצב זה הראנו שניתן, באופן תיאורטי, להגיע לנצילות גבוהה מ-40 אחוז! בנוסף לכך, מכיוון שהתא נמצא בטמפרטורה גבוהה מאוד (כמה מאות מעלות צלזיוס על הלוח הקר), נוכל להשתמש בו בצורה דומה למערכת תרמו-סולארית.
נשמע אידיאלי, האם נפתרו בעיות האנרגיה בעולם?
עוד לא. ראשית, יש להמשיך ולפתח את התיאוריה משום שהיא עדיין אינה מגובשת כפי שהיינו רוצים. דבר שני שחשוב מאוד לציין הוא שמערכת כזאת בעצם מעולם לא נבנתה. אחד השלבים הבאים של הפרויקט יהיה לבנות מערכת שבעזרתה נוכל להראות שניתן ליישם את הרעיונות התיאורטיים במציאות. בנייה של מערכת כזאת מכילה בתוכה אתגרים רבים ומגוונים. לאחר שנתגבר עליהם אולי נוכל להציג לעולם דרך חדשה ויעילה יותר 'לקצור' את אנרגיית השמש.
* עידכון מה-11.06.12
——————————————————————————
אני אשמח להפגש ולשוחח עם כל תלמיד מחקר (אולי אתם?) שמוכן להשתתף ולספר לי קצת על מה הוא עושה (והכול במחיר של שיחה לא יותר מידי ארוכה). תוכלו ליצור איתי קשר דרך טופס יצירת קשר.
זה הזמן לספר לכולם מה אתם עושים, אולי הפעם הם גם יבינו 🙂
טבע בשני מימדים, חלק א' – נפלאות הגרפן
בשנת 1884 פרסם אדווין א. אבוט את הנובלה שטוחלנדיה (מישוריה בהוצאה חדשה יותר בעברית, Flatland במקור) ובה מסופר על עולם מישורי ובו קיימים שני מימדי מרחב בלבד. תושביו של עולם זה הם מצולעים המחולקים למעמדות לפי מספר הצלעות שלהם. הספר נכתב כסאטירה ומותח ביקורת על ההיררכיה החברתית בחברה הוויקטוריאנית שבה חי אבוט.
אנחנו, לעומת זאת, חיים בעולם תלת-מימדי, לפחות בהקשר של המרחב הסטנדרטי. במקרים מסוימים ניתן לוותר על אחד המימדים בתיאור המציאות הפיזיקלית. הכוונה היא שעבור תיאור מדעי של תופעות פיזיקליות מסוימות, אחד מהמימדים יכול להיות חסר חשיבות במקרים שבהם הוא קטן מאוד (למשל עובי של דיסקה דקה) או גדול מאוד (למשל אורך של צינור ארוך) ביחס לשאר.
למרות שאיני מכיר יצורים דמויי מצולעים בעולמינו, ישנם מקרים בטבע שבהם דו-המימדיות היא אמיתית ואינה קשורה לקירובים. אני אפריד את הדיון לשתי רשימות נפרדות. ברשימה זאת אני אספר על חומר ייחודי בעל מבנה דו-ממדי, וברשימה הבאה אספר על דו-ממדיות הנובעת מתנאים מיוחדים הנוצרים בתוך חומר בעל מבנה תלת-ממדי.
עטיפת הספר שטוחלנדיה בהוצאה השישית של הגרסה האנגלית. המקור: ויקיפדיה.
הגְרָפֶן – חומר בשני מימדים
ליסוד פחמן יש כמה תצורות שבהן הוא מופיע כמוצק בטבע. השתיים המפורסמות ביותר הן גביש היהלום והגרפיט, שאינן דומות אחת לשניה כלל. היהלום שקוף, עמיד לשריטות ומבודד חשמלית, והגרפיט אטומה (צבע כסוף מתכתי), רכה ומוליכה חשמלית. ההבדלים נובעים מסידור האטומים והמבנה הגבישי. הגרפיט, החשובה לעניינינו, בנויה ממספר רב של שכבות זהות שבכל אחת מהן מסודרים האטומים על גבי קודקודיהם של משושים המרצפים את אותו מישור (ראו איור). שכבה בודדת, הזהה לאלה המרכיבות את הגרפיט, נקראת גְרָפֶן (graphene).
(א) גוש של גביש גרפיט, (ב) איור סכמטי של סידור באטומים בגרפיט, (ג) איור של משטח גרפן. המקורות: ויקיפדיה וויקיפדיה.
קיומו של הגרפן כחומר בפני עצמו היה שנוי במחלוקת במשך שנים רבות, והיו אף שטענו שהוא אינו יציב ולכן אינו יכול להתקיים. למרות זאת, תכונותיו נחקרו באופן תיאורטי מכיוון שכדי לחשב את תכונותיו של גביש גרפיט, נוח קודם לחשב את תכונותיה של שכבה אחת ואז להכליל את התוצאות למבנה השלם. בדרך לגילויו של הגרפן היו שתי בעיות עיקריות: כיצד לייצר שכבה בעובי אטום בודד, ובמידה וכבר ישנה אחת כזאת, כיצד למצוא ולזהות אותה.
שתי הבעיות נפתרו על ידי אנדרה גיים וקוסטיה נובוסלוב (Geim & Novoselov), פרופסור מאוניברסיטת מנצ'סטר ותלמידו, דבר שזיכה אותם בפרס הנובל לפיזיקה לשנת 2010. (כהערת אגב, אני ממליץ ללחוץ ולקרא על גיים, שהיה פה בארץ גם לפני וגם אחרי שזכה בפרס, על זכייתו בפרס האיג-נובל בעקבות הרחפת צפרדעים ועל התנגדותו לחרם אקדמי על ישראל). גיים ונובוסלב מצאו דרך כה פשוטה לייצור חתיכות גרפן בעזרת נייר דבק, עד שכל אחד יכול לנסות אותה בבית (אני קצת מגזים). כמו כן, הם מצאו את התנאים שבהם ניתן להבדיל בין פיסות גרפן, בעובי שכבה אטומית אחת, לפיסות עבות יותר בעזרת מיקרוסקופ אור פשוט. מאז נמצאו שיטות נוספות, מדויקות ומתוחכמות יותר לייצור מבוקר של שכבות גרפן ולזיהויים.
אנדרה גיים. המקור: וויקיפדיה.
כעת, כאשר היו סוף סוף בידיהם פיסות גרפן, יכלו המדענים לבדוק באופן ניסיוני את כל התחזיות התיאורטיות המשונות שחושבו במשך השנים. אחת התכונות המעניינות שקיומן נחזה באופן תיאורטי בגרפן היתה 'הולכה בליסטית של נושאי מטען'. אסביר על מה מדובר.
אלקטרונים שתורמים להולכה החשמלית של גבישים אינם מתנהגים בדיוק כמו אלקטרונים חופשיים בואקום. האלקטרונים הנעים בתוך הגביש מושפעים מהשדות האלקטרוסטטיים שנוצרים על ידי האטומים המרכיבים אותו. אותה השפעה של הגביש על האלקטרונים אמנם מורכבת מאוד, אך ניתן לתחום אותה לתוך מושג הנקרא 'מסה אפקטיבית'. התוצאה של התרגיל הזה היא שנוכל להמשיך ולהתייחס לאלקטרון כחופשי, אך נצטרך לקחת בחשבון שמסתו בפועל, המסה האפקטיבית, אינה המסה של האלקטרון החופשי. היא אינה קבועה ותלויה בסוג הגביש ואפילו בכיוון התנועה של האלקטרון.
כפי שכבר הזכרתי, את תכונות הגרפן חישבו הפיזיקאים התיאורטיים הרבה לפני שמישהו חשב שיהיה זה אפשרי לשים יד על פיסה של החומר. אחת התכונות המשונות שהם מצאו היתה שבתנאים מסוימים החלקיקים נושאי המטען בגרפן אינם מתנהגים כאלקטרונים בגביש ולא ניתן כלל להגדיר להם מסה אפקטיבית. ההתנהגות שנחזתה היתה דומה יותר לחלקיקים חסרי מסה. דבר זה היה מפתיע מאוד, מכיוון שאם הוא אכן נכון, יש לצפות שההולכה החשמלית בשכבות אלה תהיה גבוהה מאוד ביחס לגבישים אחרים, ושהאלקטרונים שאינם בדיוק אלקטרונים ינועו במהירויות גבוהות מאוד, ללא הפרעה מהגביש, במה שמכונה 'תנועה בליסטית'.
המהירות של אלקטרונים בתגובה להפעלת שדה חשמלי (מוביליות) בגרפן אכן נמצאה גבוהה מגדר הרגיל. דבר זה הוביל למחשבות על אפליקציה הנדסית לאפקט: טרנזיסטור בליסטי (ניתו לקרא הסבר קצר על מהו טרנזיסטור בפוסט קודם שלי או בוויקיפדיה). בטרנזיסטור זה ההולכה החשמלית, בזמן שהטרנזיסטור פתוח, תתבצע דרך משטח גרפן. בגלל המהירות הגבוהה של האלקטרונים, נוכל לבנות טרנזיסטורים שיגיבו במהירות רבה יותר מטרנזיסטורים רגילים, ויאפשרו עבודה בתדירויות גבוהות מאוד.
הידד לגרפן!
————————————————————————–
לקריאה נוספת:
ברשימה זאת התמקדתי רק באחת התכונות של גרפן; מדובר בטיפה בים. מי שמעוניין להעמיק בתכונות ושימושים נוספים של הגרפן מוזמן לקרא מאמר של אנדרה גיים שהתפרסם בעברית בסיינטיפיק-אמריקן ישראל (כולל הפניה למקורות נוספים) או לעיין בדף הוויקיפדיה באנגלית על גרפן.
אז מה עושים שם באוניברסיטה? פרק 1: על מוליכות-על והמגנט החזק במזה"ת
נפגשתי עם אמיר סגל כדי לשאול אותו מה עושים שם באוניברסיטה.
אמיר הוא ירושלמי במקור וכיום מתגורר עם אשתו ובתו במודיעין. הוא גיטריסט בלהקת 'קוביאשי פורצלן'. את התואר הראשון עשה באוניברסיטה העברית וכיום מסיים את עבודת הדוקטורט בפיזיקה במעבדת הספינטרוניקה והשדות המגנטיים הגבוהים של פרופ. אלכסנדר גרבר באוניברסיטת תל-אביב.
אמיר, אז מה אתם עושים שם?
אנחנו מעוניינים לחקור ולהבין את ההשפעה של שדות מגנטיים על ההולכה החשמלית של חומרים בשכבות דקות. לשם כך, יש לנו במעבדה את המגנט החזק במזרח-התיכון, לפחות על פי הפעם האחרונה שבדקתי. מדובר באלקטרומגנט שהוא בעצם סליל מתכתי הדומה בצורתו לקפיץ (ראו איור). כאשר מזרימים דרכו זרם חשמלי, נוצר בתוך החלל הגלילי שדה מגנטי אחיד. לשם ביצוע מדידה מכניסים את הדגם, שאותו מעוניינים לחקור, לתוך חלל הסליל. על ידי שינוי הזרם ניתן לשלוט בעוצמת השדה המגנטי בדיוק רב, ולבדוק כיצד השינוי משפיע על המוליכות החשמלית של החומר הנבדק.
איור סכמטי של אלקטרומגנט. המקור: ויקיפדיה.
החומרים העיקריים שאנחנו חוקרים הם חומרים פרומגנטיים וחומרים מוליכי-על. מוליכי-על הם חומרים שבמידה ומקררים אותם מתחת לטמפרטורה מסוימת (הטמפרטורה הקריטית), ההתנגדות החשמלית שלהן יורדת לאפס. למשל עופרת עוברת למצב מוליכות-על בטמפרטורה 7.19 מעלות מעל האפס המוחלט (כלומר 266- מעלות צלזיוס). במצב מיוחד זה אין בזבוז אנרגיה במהלך זרימת החשמל בדגם והיא יכולה, באופן תיאורטי, להימשך לעד.
התופעה התגלתה כבר ב-1911, אבל רק בשנות ה-50 הצליחו למצוא לה הסבר. ההסבר קשור לכך שהאלקטרונים המשתתפים בהולכה החשמלית מסודרים בזוגות, ובין הזוגות המיוחדים של האלקטרונים ישנה משיכה במקום דחייה. הסבר זה זיכה את הוגיו בפרס הנובל בפיזיקה. בשנות ה-80 היתה התפתחות מעניינת נוספת, כאשר התגלתה משפחה של חומרים שהמעבר בה למצב מוליכות-על מתרחש בטמפרטורות גבוהות יחסית, חלקן מעל הטמפרטורה של חנקן נוזלי. עבור תופעה זאת אין הסבר מניח את הדעת עד היום.
ומהם חומרים פרומגנטיים?
בכל חומר ישנם אלמנטים מגנטיים מיקרוסקופיים שנקראים המומנטים המגנטיים. האלקטרונים, למשל, נושאים את התכונה הזאת שנובעת מהספין שלהם. למומנטים המגנטיים בחומרים פרומגנטיים יש נטייה להסתדר באותו כיוון. חומרים שבהם כל המומנטים המגנטיים מצביעים לאותו כיוון יהיו מגנטיים ונוכל למשל להדביק אותם למקרר.
אז למה ברזל, שהוא פרומגנט, אינו תמיד מגנטי?
מכיוון שהמצב היציב של המומנטים המגנטים תלוי בהרבה פרמטרים. בדרך כלל, המומנטים המגנטיים יהיו מסודרים לאותו כיוון באזורים מוגבלים באורך של כמה מיקרונים. כל אזור כזה יצביע למקום אחר, כך שפיסת החומר כולה לא תהיה מגנטית. נוכל להשקיע אנרגיה ולגרום לכול המומנטים להצביע לאותו כיוון, למשל על ידי הפעלת שדה מגנטי חיצוני, ואז החומר יהפך למגנט קבוע (ראו איור).
איור סכמטי של סידור המומנטים המגנטיים באזורים נפרדים. המקור: ויקיפדיה.
למה החומרים האלה מעניינים?
משתי סיבות עיקריות: הסיבה הראשונה היא שיכולים להיות להם יישומים טכנולוגיים שאולי נגיע אליהם בהמשך. הסיבה השניה היא שלמרות שהחומרים האלה ידועים למדע כבר הרבה שנים, דברים רבים לגבי הפיזיקה שמכתיבה את התופעות הללו אינה מובנת.
אז מה רציתם לבדוק אצלכם במעבדה?
אחד הפרויקטים שעבדתי עליהם היה לחקור תערובת של חומרים פרומגנטיים ומוליכי-על.
למה?
כי יש בהם משהו שהוא סותר באופן בסיסי. זוגות האלקטרונים המיוחדים המשתתפים בהולכה בחומר מוליך-על מורכבים משני אלקטרונים בעלי מומנט מגנטי בכיוון הפוך. לעומת זאת, כפי שהזכרתי קודם, בחומרים פרומגנטיים הנטייה של המומנטים המגנטיים היא להסתדר באותו כיוון. זוג אלקטרונים ממוליך-העל שימצא את עצמו פתאום בחומר פרומגנטי, עלול 'להרגיש שלא בנוח'. רצינו לדעת כיצד יתנהג החומר במצב זה.
ומה גיליתם?
לצערי, בהתחלה לא הרבה. מסתבר שכאשר ערבבנו את החומרים שהשתמשנו בהם, ניקל פרומגנטי ועופרת מוליכת-על, התקבלה ערבוביה של גרגירי ניקל, גרגירי עופרת וגרגירים של תרכובת בין הניקל והעופרת. היווצרות התרכובת לא היתה צפויה ומנעה מאיתנו להגיע למסקנות ברורות לגבי הנושא אותו רצינו לבדוק.
ניסינו להתגבר על הבעיה בכל מיני שיטות וזה לא בדיוק עבד. אך בזמן שעבדנו על פתרון הבעיה, נתקלנו בתופעה מעניינת לא פחות. משהו לא צפוי שהופיע גם במדידת מוליכי-על וגם בפרומגנטים, והצביע על קשר כלשהוא ביניהם.
מה ראיתם?
כאשר מודדים את ההתנגדות של חומר פרומגנטי כפונקציה של השדה המגנטי, התוצאה תמיד סימטרית. הכוונה היא שההתנגדות החשמלית של החומר בשדה מגנטי מסוים תישאר אותו דבר אם נהפוך את כיוון השדה (ראו איור). במדידות שביצענו במעבדה התקבלה תוצאה הכוללת אלמנט אנטי-סימטרי בנוסף לאות הסימטרי שאנו רגילים למצוא. האות האנטי-סימטרי הופיע בשלב בו המגנטיזציה של הדגם מתהפכת.
בו בזמן, מצאנו במוליכי-על תופעה דומה אך הפוכה. לתופעה אנטי-סימטרית ביחס לשדה המגנטי (מתח הול) התווסף אלמנט סימטרי באזור המעבר למצב מוליך-על.
איור סכמטי להמחשה של התנגדות חשמלית כפונקציה של שדה מגנטי.
אז מה הקשר בין שתי התופעות? הרי אלה חומרים שונים לחלוטין.
נכון, אבל מה שמקשר בין שתי התוצאות זה שבירת הסימטריה. משהו התווסף למערכת הפיזיקלית והוסיף כיווניות שונה מהצפוי. דבר זה יכול להיות למשל אי-הומוגניות של החומר. בתהליך הייצור של הדגם יכולים להיגרם כל מיני פגמים כמו חוסר אחידות בעובי או חדירה של אטומים זרים. 'הפרעות' אלה עלולות לגרום למשל לשינויים מקומיים בתנאים שבהם עובר החומר ממצב רגיל למצב מוליך-על. דבר זה יגרום לאזורים מסוימים בחומר להיות מוליכי-על בו בזמן שאזורים אחרים לא יהיו במצב זה, מה שיגרום להסטה של הזרימה החשמלית ולמתחים פנימיים שונים ומשונים, כפי שנצפו בניסויי.
אוקיי, הסבר מעניין. אבל, איך בדקתם אם התופעה שהוא מתאר אכן מתקיימת במציאות?
פשוט ייצרנו דגמים שבהם הייתה אי-הומוגניות שאנחנו יזמנו כמו שינוי הדרגתי בעובי או שינוי בסוג החומר. עבור מקרים אלה יכולנו להשתמש במודל שלנו כדי לנסות לחזות את תוצאת האי-הומוגניות ואותה לאשש בניסויים על דגמים אלה.
אז תסכם את הקשר בין שני סוגי החומרים.
בשני סוגי החומרים, מוליכי-על ופרומגנטים, יש נקודות קריטיות שקשורות בשדה המגנטי וגורמות לשינויים גדולים בהולכה החשמלית. במוליכי-על זה המעבר למצב מוליך-על ובפרומגנטים זה היפוך כיוון המגנטיזציה. חוסר ההומוגניות גורם לשינויים מרחביים בתכונות של החומר. סביב הנקודות הקריטיות, שינויים אלה באים לידי ביטוי וגורמים לשבירת הסימטריה, שזה בעצם מה שראינו בניסוי.
אז מה הצעד הבא?
לגבי הפרויקט הזה, החלטנו לנסות כיוון פעולה יותר יישומי. יש לנו כמה רעיונות איך לנצל חוסר הומוגניות לתכנון רכיבי זיכרון מגנטיים יעילים יותר מאלה הקיימים. כרגע אנחנו עובדים עליהם, ואולי יום אחד הם יוכלו להוות תחרות לזיכרונות הפלאש הפופולאריים.
———————————————————————————
אני אשמח להפגש ולשוחח עם כל תלמיד מחקר (אולי אתם?) שמוכן להשתתף ולספר לי קצת על מה הוא עושה (והכול במחיר של שיחה לא יותר מידי ארוכה). תוכלו ליצור איתי קשר דרך טופס יצירת קשר.
זה הזמן לספר לכולם מה אתם עושים, אולי הפעם הם גם יבינו 🙂
אז מה עושים שם באוניברסיטה? פרק 0: הפתיחה
את האוניברסיטה ומה שמתרחש בה אנו פוגשים בעיתון בשני מקרים עיקריים. המקרה הראשון הוא בזמן שביתה של אנשי סגל בכיר\זוטר\סטודנטים. התגובה המקובלת של הטוקבקיסט הממוצע: "אוכלי חינם! חיים על חשבוני!! שילכו לעבוד!!!" (סימני הקריאה במקור).
המקרה השני הוא כאשר מדווחים בעיתון על: "מחקר חדש ופורץ דרך!" (ההגזמה במקור). במקרים אלה יהיה כתוב בעיקר על התוצאה 'הסנסציונית' ואולי גם על החוקר הראשי שחתום על המחקר. התגובה המקובלת של הטוקבקיסט הממוצע: 1) "המחקר מיותר, התוצאות ברורות מאליו", 2) "המחקר מיותר, התוצאות הן שטויות, בדוק", 3) "המחקר מיותר, את מי זה בכלל מעניין?".
אז מה באמת עושים שם באוניברסיטה? מי הם אלה שעושים את זה? איך הם עושים את זה? ולמה?
את כל השאלות האלה ועוד יצאתי לברר בסדרה של ראיונות עם האנשים האמיתיים שמבצעים את כל המחקרים האלה: תלמידי המחקר. זאת הזדמנות מצוינת בשבילי, ואני מקווה שגם בשבילכם (הקוראים, מי שלא תהיו), להכיר את הנפשות הפועלות, ללמוד על מדע חדש ומרתק שקורה ברגעים אלה בין כתלי האוניברסיטאות ולגלות איך זה באמת עובד.
מעבדת ביוכימיה באוניברסיטת קלן. המקור: ויקיפדיה.
לרגל הפרויקט החדש פתחתי דף פייסבוק לבלוג.
וכעת אתם מוזמנים לפרק הראשון הנקרא: "על מוליכות-על והמגנט החזק במזה"ת".
—————————————————————
והערה\בקשה\הצעה לסיום:
אני אשמח להפגש ולשוחח עם כל תלמיד מחקר (אולי אתם?) שמוכן להשתתף ולספר לי קצת על מה הוא עושה (והכול במחיר של שיחה לא יותר מידי ארוכה). תוכלו ליצור איתי קשר דרך טופס יצירת קשר.
זה הזמן לספר לכולם מה אתם עושים, אולי הפעם הם גם יבינו 🙂
לחקור את הַבְיַחַדְנֶס – על הפשטה והכללה
מדע זה דבר לא פשוט.
נניח שאתם רוצים ללמוד דבר מה חדש על גוף האדם. הבעיה היא שגוף האדם הוא מכונה די מסובכת. תוכלו למשל להגביל את עצמכם לחקר התאים, שהם מרכיב חשוב בגוף. אבל קשה לייצר סביבה מבוקרת עבור בדיקה של תכונה מסוימת בתאים, כאשר הם בתוך גוף האדם. תוכלו למשל לבחור לחקור את התאים כאשר הם גדלים בתוך צלחת. אבל תאים אנושיים רגילים אינם גדלים היטב בצלחת ומתים מהר. תוכלו למשל, במקום התאים הרגילים, להשתמש בתאי מודל מיוחדים המתאימים לגידול בצלחות. במצב זה תוכלו לייצר בקלות יחסית סביבה מבוקרת היטב. כעת תוכלו לבצע ניסוי, לקבל תוצאות ולהסיק מסקנה על הנושא אותו חקרתם. אך בל נשכח שהנושא המקורי היה גוף האדם, ולכן בשלב זה תרצו להכליל את מסקנותיכם ולטעון שהן רלוונטיות עבור הגוף ולא רק בצלחת. האם תקפותן של המסקנות במערכת המודל המפושטת מצביעה על תקפותן גם במערכת המקורית המסובכת?
תהליך פירוק בעיה למרכיבים פשוטים יותר והכללה של המסקנות מהמערכת המפושטת למערכת המקורית הוא אחד הכלים הבסיסיים והשימושיים ביותר במדע. ניתן למצאו כמעט בכל מחקר גם בתחומי המדעים המדויקים כגון פיזיקה, וגם במדעים העוסקים במערכות מורכבות יותר כגון מדעי החיים והרפואה, אם כי יש להודות שהעסק הופך שם למסובך הרבה יותר.
ומה לגבי המחשבה האנושית, ההתנהגות האנושית, פסיכולוגיה ומדעי המוח? האם גישת המחקר הזאת מתאימה גם עבור תחומים אלה?
ברצוני להציג בפניכם מחקר חדש שהוא גם ייחודי ומעניין בפני עצמו ולכן אציג אותו בפרוטרוט, וגם ממחיש היטב, לדעתי, את הדילמה שהצגתי בפסקה הקודמת. המחקר, פרי עבודתם של דר. ליאור נוי ופרופסור אורי אלון ממכון ויצמן, פורסם בכתב-העת Proceedings of the National Academy of Sciences תחת הנושא Psychological and cognitive science.
הכותרת של המאמר הנידון ומראה המקום.
המחקר (ההפשטה)
החוקרים היו מעוניינים להבין את המנגנון של פעולה בצוותא. אחת הדוגמאות המעניינות לפעולה בצוותא היא אלתור משותף שבא לידי ביטוי אצל מוזיקאים, שחקנים אך גם אצל כל שני אנשים שמנהלים שיחה. איך עובד האלתור? האם הגדרת אחד המאלתרים כמוביל ושני כעוקב משפיעה?
בתור מודל פשוט של אלתור שאותו יהיה ניתן לחקור בצורה מבוקרת, השתמשו החוקרים 'במשחק המראה', שבו שני שחקנים מחקים אחד את השני ברצף תנועות דמוי ריקוד. אך מכיוון שהמשחק מסובך לכימות ומעקב בצורתו המקורית, יצרו החוקרים גרסה מוגבלת ומפושטת. כל אחד מהמשתתפים אוחז ידית המוגבלת לתנועה במסילה אופקית. לידיות חוברו חיישני תנועה שאפשרו מעקב ותיעוד של מיקום הידיות בכל רגע נתון. המשחק התחלק לשלבים בהם הוגדר מוביל לתנועה ולשלבים בהם לא הוגדר מוביל. רוב המשתתפים בניסוי היו בעלי ניסיון רב באלתורים בתחום המשחק והמוסיקה (שישה גברים ושש נשים).
כד המשחק עם מראה במשחק המראה. בינתיים אין מנצחים. המקור: וויקיפדיה.
התוצאות
הזמנים שנמדדו עבור התגובות של השחקנים לתנועות אחד של השני היו קצרים מהמצופה. דבר זה הוביל את החוקרים למסקנה שמלבד אלמנט העקיבה במשחק ישנו גם אלמנט חיזוי. כמו כן, במקרים בהם הוגדר מוביל למשחק, העוקב והמוביל נבדלו בצורת תנועתם. בזמן שתנועתו של המוביל היתה חלקה (נטולת רעידות וקפיצות), תנועתו של העוקב היתה תזזיתית יותר (בניסיונו להיצמד למוביל). במקרים בהם לא הוגדר מוביל, התיאום בין התנועה של שני השחקנים היה טוב הרבה יותר, ובחלק מזמן המשחק נראה כאילו השחקנים 'מסכימים' ביניהם על מסלול משותף.
תוצאות הניסוי עבור משתתפים שאינם מנוסים באלתור היו שונות. התיאום בתנועות של שחקנים אלה היה פחות מוצלח, והם התקשו במיוחד כאשר לא הוגדר מוביל. התנועה שלהם אופיינה בתזזיתיות גם אם הוגדר מוביל וגם אם לא.
כדי להבין את המכאניזם של תנועת השחקנים, פיתחו החוקרים מודל מתמטי למערכת עקיבה שמצליחה לשחזר בהצלחה את התוצאות שהתקבלו.
איור סכמטי לשם המחשת הרעיון בלבד (את התוצאות האמיתיות ניתן לראות במאמר). כאשר לא מוגדר מוביל התנועה חלקה ומתואמת. כאשר מוגדר מוביל, תנועתו חלקה, אך תנועת העוקב תזזיתית.
המסקנות (ההכללה)
לטענת החוקרים, התוצאות מצביעות על כך שאנשים המאלתרים יחדיו יכולים להיכנס למצב שבו שניהם מובילים במשותף את התנועה, ובו מתקבלים הביצועים הטובים ביותר. מצב זה עלול להיות קשור לאותם רגעים נדירים בחיים של togetherness (כך במקור) שעליהם מדווחים לעיתים מוזיקאים ושחקנים העוסקים באלתור.
משחק המראה, הם מסכמים, עלול להיות צוהר אל המנגנון הבסיסי של האינטראקציה בין אנשים. הם מזכירים לנו שחיקוי הוא פעולה בעלת חשיבות רבה למשל בתקשורת חברתית או בתהליך הלמידה של תינוקות.
אי אפשר שלא להתרשם מהדרך האלגנטית בה מצליח המחקר להדביק מודל מתמטי מדויק ופשוט להתנהגות אנושית כה מורכבת. אך עולה בי השאלה האם ההכללה במסקנות המחקר ניתנת ליישום. מכיוון שנושא המחשבה והפעולה האנושית כל כך סבוך, המחקר נקט בהפשטה מאוד חזקה. מערכת המודל שלו היא ספציפית למדי: משחק המראה בגרסתו המפושטת. נשאלת השאלה עד כמה היא רלוונטית לדברים אחרים ולאילו מקרים נוכל להכליל את המסקנות. האם נוכל לנסח תחזית חדשה מהמודל ולבדוק אותה בסיטואציה אחרת? האם למדנו משהו חדש על האינטראקציה בין אנשים, או שמא למדנו משהו רק על מה שקורה כאשר שני אנשים מנוסים באלתור משחקים במשחק המראה בגרסתו המוגבלת?
לסיום, לאחר ההפשטה אני אבצע הכללה משלי ואחזור אל הנקודה שבה פתחתי: האם גישת המחקר של הפשטה והכללה מתאימה עבור תחומי מחקר של מערכות סבוכות כגון התנהגות ומחשבה אנושית. מה אתם חושבים?
——————————————————————
לקריאה נוספת:
– פרופ. אורי אלון ודר. ליאור נוי הקימו מעבדת תיאטרון שבה הם רוצים לחקור תופעות מורכבות בהתנהגות אנושית תוך שילוב בין כלים של מדע ושל תיאטרון (כתבה קצרה ב-pdf).
– כתבה על המחקר באתר הידען.
עד כדי קבוע 