חדש(נ)ות מהטבע: מאי 2010
חדשות מהטבע מאי 2010
החודש ציינו את חג הביכורים וחגגנו את פרי אדמתנו.החקלאות התעשייתית מתמקדת לרוב בזן אחד, חד שנתי ומשתמשת בדלק מאובן למיכון ובחומרי הדברה ודישון. אם נסתכל בטבע על מערכות אקולוגיות טבעיות נראה שהן מורכבות ומבוססות על מגוון מינים, משתמשות במשאבים המקומיים, ממחזרות את רכיבי המזון שלהן ומשמרת את פוריות האדמה. התבוננות במערכות אלו מלמדת כי המגוון מאפשר קיום מערכת מתפקדת ועמידה לשינויים לאורך הזמן.
מגוון המינים הוא נושא סביבתי חשוב ומרכזי. שנת 2010 הוכרזה על-ידי האו"ם כשנת מגוון המינים, ועל כן הוקדש כנס ירושלים לסביבה וטבע שנערך החודש, לנושא שימור המגוון הביולוגי.
מעריכים שיש כיום בעולם כ- 13 מיליון מינים מהם זוהו רק 1.75 מיליון.
שמירה על מגוון המינים חשובה לקיומה ותפקודה של המערכת האקולוגית כולה. המינים הם המרכיבים הביוטיים של כל מערכת אקולוגית, פגיעה במין מסוים עלולה לגרום לפגיעה במינים נוספים ולמוטט מערכת אקולוגית שלמה.
תחום הביומימיקרי שופך אור נוסף על חשיבות השמירה על מגוון המינים. הטבע "כמורה, מודל, ומדד" מאבד כמה ממוריו הטובים מדי יום. כל אחד מהמינים הנכחדים לא יוכל יותר לשמש כמקור השראה ללמידה ולפיתוח מקיים.
בית החוטם: מאווררים משמרי טמפרטורה
ציפורים קטנות ויונקים ממזערים את אובדן החום בתהליך הנשימה באמצעות משחלפי החום הנמצאים במעברי האף. תהליך הנשימה הינו תהליך בזבזני מבחינה אנרגטית בו אובד חום קריטי. אויר הנשאף לגוף בדרך כלל קר מטמפרטורת הגוף ובעל החיים מפסיד חום בנשיפת אויר שהתחמם בגופו לסביבה. משחלפי החום המצויים בתעלות האף, נועדו למזער את בעיית איבוד החום. במהלך הנשיפה, החום נכלא בדופן כלי הנשימה כך שהאויר יוצא כמעט בטמפרטורת הסביבה. בשאיפה, החום הכלוא משתחרר לאויר הנשאף וכך האויר המגיע למערכת הנשימה חם יותר מטמפרטורת הסביבה ואובדן האנרגיה לשימור החום קטן.
מבנים עומדים בפני אותו אתגר. יש לאוורר מבנים תוך איבוד חום מינימלי בחורף ואיבוד קור מינימלי בקיץ. משחלפי חום אומנם קיימים בשוק, אך עדיין לא הגיעו לשימוש בבתים מאחר ואינם פשוטים ויעילים כפי שקיים במודל הטבעי. חוקרים מארה"ב (Duke University) פיתחו מודל המבוסס על משחלפי החום הטבעיים שמטרתו להחליף אויר עם הסביבה ללא השפעה על הטמפרטורה בתוך המבנה. תוצאות הניסויים עם מודל ראשוני זה הן כי שימוש במודל חילוף החום של יונקים שונים, יכול לסייע רבות לחיסכון אנרגטי בחימום וקירור מבנים. עוד נמצא במחקר, כי ככל שתעלות האוורור עם משחלפי החום ארוכות וצרות יותר, בדומה לכלי הנשימה, כך פעולתן אפקטיבית יותר.
לראות כמו דג
התפתחות הננוטכנולוגיה והביוטכנולוגיה של השנים האחרונות מאפשרות תכנון ובניה של מבנים הנדסיים המחקים מבנים ביולוגים כדי לשפר את היעילות והתפקוד של חישנים הנדסיים.
יאנג ועמיתיו מאוניברסיטת אילנוי שבארה"ב עומלים על פיתוח אב טיפוס לחיישן מלאכותי שיחקה את הפונקציה של חיישן הקו הלטרלי של הדג. הקו הלטרלי (lateral line) הינו מבנה המורכב שורה של קצוות עצב ומצוי על גופם של דגים. הוא נראה כקו בעל צבע שונה המצוי על העור. קצוות העצב עטופים סביב שערות סנסוריות המשובצות במסות דמויות ג'לי החשופות למים. כשהמים רוטטים מתנועות של טרף/טורף הג'לי רוטט וגורם לשערות להתכופף. גירוי העצב שולח מסר למוח. הדמיה של הסביבה המבוססת על הקו הלטרלי הינה קריטית להישרדותו של הדג.
יאנג ועמיתיו פיתחו חיישן קו לטרלי מלאכותי בעזרת שימוש בטכנולוגיית MEMS (מערכת מיקרואלקטרומכנית) ובחנו את יכולת האיתור של המערכת. מערכים של קוים לטרלים ביומימיטיים הורכבו סביב צילינדר ואלגוריתם עיבוד אות איפשר הדמיה תלת מימדית של אירועים הידרודינמיים. נמצא כי המערכת מזהה וממקמת במרחב באופן מדויק תנודות מלאכותיות ואף תנודות זנב של סרטן הנהרות בתנאים שונים.
חיישן קו לטרלי מלאכותי מהווה פריצת דרך בפיתוח כלי תחבורה ורובוטים ימיים.
טורבינת רוח בהשראת כנפי דבורים
חברת greenwavelength האמריקאית הציגה לפני מספר חודשים אב טיפוס של טורבינת רוח בעלת להבים הנעים בהשראת כנפי חרקים. ההנחה הרווחת היא שטורבינות רוח בדמות טחנות רוח הן היעילות ביותר לייצור אנרגיה. בדגם שהוצג על ידי החברה יש שתי כנפיים בלבד, באורך 5.7 מטר. טורבינות רוח אחרות שפותחו עד כה, מצליחות לנצל פחות מ- 30% מאנרגית הרוח, בעוד העיצוב הייחודי של דגם זה, בהשראת כנפי החרקים, אמור לשפר את תפוקת האנרגיה השנתית ולהמיר למעלה מ-30% מהאנרגיה. הטורבינה נמצאת כעת בשלב הבדיקות לבחינת מדדי היעילות שלה.
מנהל החברה, בוגר MIT המתעניין בביומימיקרי ובקלינטק, מאמין כי פתרונות פורצי דרך מגיעים משילוב של תחומים שונים וכי פיתוח טורבינת רוח בהשראת הטבע יוביל להשגת יעילות רבה יותר.
טורבינה מסוג זה יכולה להיות נגישה גם לצרכנים פרטיים הרוצים לייצר אנרגיה. הכנפיים, העשויות מסיבי אלומיניום ופחמן, מאופיינות במשקל קל, בגודל קטן ובמראה אסטטי, והם יכולים לשמש ליצירת חשמל גם באזורים שאינם מחוברים לרשת. החברה עובדת כעת על הוזלת עלויות הייצור.
החברה עוסקת בייצור טכנולוגיות נוספות מבוססות ביומימיקרי ובהן ציפויים לאוניות המחקים את עור הכריש, עוקבים לפאנלים סולאריים המתפקדים כעלים ועוד.
ציפוי בהשראת הטבע יחסוך דלק
שרך המים (Salvinia molesta) מוגדר כהידרופובי קיצוני (יכולת קיצונית לדחיית מים). לצמח יש מנגנון נדיר המאפשר לו לכסות עצמו במעטה של אויר מתחת למים. מעטפת זו מונעת מהשרך להיות במגע עם הנוזל, גם לאחר שהות של מספר שבועות במים. מהנדסי חומרים מכנים תכונה זו כסופרהידרופוניות (דחיית מים בצורה קיצונית). תכונה זו רלוונטית לאפליקציות רבות ובהן לפיתוח ציפויים שיפחיתו חיכוך בסביבה מימית ובכך למשל יקטינו את צריכת הדלק של ספינות.
עד כה, ניסיונות לשחזר תכונה זו לא הצליחו. השכבה המגנה נעלמת במים לאחר מספר שעות לכל היותר. לאחרונה, חוקרים מאוניברסיטאות מובילות בגרמניה, פענחו את המנגנון המאפשר לשרך להצמיד אליו את שכבת האויר המבודדת.
ידוע כי על עליו של השרך יש שערות זעירות הדוחות מים ושומרות את המים במרחק ממשטח הצמח. החוקרים הצליחו להראות שהקצה המרוחק של השערות הוא הידרופילי (אוהב מים). למעשה שערות אלו לוכדות את המים סביב הצמח בקצה השערות, כך שנוצרת שכבת אויר במרווח שבין משטח הצמח לקצה השערות. את התגלית מוביל פרופ' ברטלוט מאוניברסיטת בון בגרמניה, שפענח את "אפקט הלוטוס" לפני כ- 20 שנה.
נכון לעכשיו, ספינות משא מאבדות יותר ממחצית מאנרגיית ההנעה שלהן בעקבות חיכוך מעטפת הספינה עם המים. חיקוי מבנה השערות ויישומו בציפוי לספינות יכול לסייע לספינות לחסוך 10% בצריכת הדלק שלהן. מכיוון שספינות הן צרכניות אנרגיה גדולות, מדובר על פוטנציאל גדול לחיסכון באנרגיה. פרופ' ברטלוט מעריך כי מדובר על חיסכון של 1% מצריכת האנרגיה העולמית. בנית ספינות המבוססות על העיקרון של השרך, יכול לחולל מהפיכה בענף הספנות. נראה כי כעת, בעקבות "אפקט הלוטוס" יכנס גם "אפקט השרך" לשורת ההמצאות החשובות מבוססות ביומימיקרי התורמות לקידום נושאי הקיימות והסביבה בעולם.
אורגניזם החודש: הכריש