בשנה האחרונה היינו עדים למספר פיתוחים מעניינים המספקים דרכים חדשות למאבק בקורוזיה: החל מתהליך ציפוי מתקדם העושה שימוש בשכבות ננו-מטריות וכלה במשחק מחשב אינטראקטיבי. לפניכם סקירה של הפיתוחים המעניינים בתחום.
גרפן - הדרך הנקייה לשמור
על הפלדה
חוקרים מאוניברסיטת באפאלו (הנקראת גם אונ’ ניו-יורק סטייט) ביצעו פריצת דרך חשובה ביצירת פלדת אל-חלד תוך שימוש בתרכובת מבוססת גרפן היכולה לשמש אלטרנטיבה בלתי רעילה לציפויים הכוללים כרום שש-ערכי (hexavalent chromium) הנחשב לחומר מסרטן.
בניסויים הראשונים שערכו המדענים, פיסות פלדה צופו בחומר המבריק המשווה מראה היי-טקי ונותרו נקיות מחלודה למשך מספר ימים בלבד לאחר שהוטבלו ללא הרף במי-מלח, סביבה המזרזת קורוזיה.
לאחר שהמדענים ערכו שינויים קלים בהרכב התרכובת - ריכוז ופיזור הגרפן שבה, הם הצליחו להאריך לחודש לערך את משך הזמן שבו שרדה הפלדה שהות במי-מלח (מאחר שמי-מלח נחשבים לסביבה עוינת במיוחד, הפלדה המצופה הייתה אמורה לשרוד פי כמה וכמה בתנאים רגילים).
הכימאים של האוניברסיטה המובילים את הפרויקט הם דוקטור סארבאגי’ט בנרג’י והדוקטורנט רוברט דניס. בעקבות הישגיהם זכו השניים במלגה מיוחדת מן המכון למניעת זיהום של מדינת ניו-יורק, ע”ס 50,000$, שתשמשם בהרחבת הטווח של זמן המניעה של התרכובת ושיפור איכות הגימור שלה.
חברת הענק הבינלאומית Tata Steel שסייעה בעבר לפרויקטים של ד”ר בנרג’י נרתמה גם הפעם לסיוע וסיפקה לצוות החוקרים דגימות של מתכות בגדלים שונים. שני החוקרים מדגישים, כי הפיכת הציפוי לזמין מבחינה מסחרית יתרום לא רק לבריאות הציבור, אלא יסייע בשמירה על משרות רבות. בנג’רי מסביר: “המוצר שלנו ניתן לשילוב בעבודה עם החומרה והציוד הקיימים במפעלים רבים המתמחים בתהליכי electroplating בכרום, בכללם בתי מלאכה קטנים (Job Shops) במערב מדינת ניו-יורק שצמחו בסמוך למפעל Bethlehem Steel. הפיתוח יוכל לאפשר למפעלים אלו להמציא עצמם מחדש בצורה ‘בריאה’ יותר העומדת בתקנות הסביבתיות החדשות והנוקשות במיוחד בכל הקשור בזיהום שהכרום יוצר.”
גרפן, החומר הדק והחזק ביותר המוכר לאדם, מכיל שכבה בודדת של אטומי פחמן המקושרים במבנה דמוי מסרק.
“ תכונותיו ההידרופוביות (דחיית מים) של החומר כמו גם תכונות ההולכה החשמלית מסייעות במניעת הקורוזיה, דחיית המים והריאקציה האלקטרוכימית המשנה את הברזל לתחמוצת ברזל או חלודה”, מסביר בנרג’י.
אוניברסיטת באפאלו כבר הגישה בקשה לרישום פטנט עבור הציפוי החדשני, בו תהיה האוניברסיטה שותפה יחד עמם המדענים ואחוז מסוים לו זכאית חברת Tata כחלק מהסכם התמיכה שלה.
“הפיתוח של אלטרנטיבה לכרום שש-ערכי תחולל מהפכה של ממש בסקטור”, מציינת ד”ר אנאהיטה וויליאמסון - מנהלת המכון למניעת זיהום של מדינת ניו-יורק. “תעשיית ציפויי המתכות זיהתה את המחקר ככזה הדורש עדיפות עליונה, ואנו יותר משמחים ליטול חלק במחקר של האוניברסיטה שעשוי לתת לנו פתרונות ירוקים לבעיית הזיהום שתעשייה זו יוצרת”.
ד”ר בנרג’י, כימאי חומרים, עובד מאז שנת 2007 על הפיתוח בשיתוף גורמים מסחריים שונים ומשרד המדע והטכנולוגיה של ארה”ב. נוסף לעבודתו על הגרפן, בנרג’י חוקר בימים אלו תרכובת סינטטית - ונדיום אוקסיד היכולה לשמש בחלונות “חכמים” שידחו את חום השמש החיצוני רק בימים חמים. מחקריו הרבים של הד”ר זיכו אותו בתואר “אחד החוקרים המבטיחים בעולם מתחת לגיל 35”, שהעניק מגזין המדע והטכנולוגיה של MIT לאחרונה.
ציפוי פונקציונאלי באמצעות
פיית פלזמה
בתהליך הייצור של מוצרי צריכה, טכנולוגיית הציפוי מהווה מרכיב עיקרי בחדשנות - לדוגמה, יצירתם של מסכים העמידים בפני שריטות לסמארטפונים או משטחים אנטי-בקטריאליים המשמשים במקררים. משטחי ציפוי אחרים מגנים בפני התיישנות וקורוזיה, דוגמת אלו המורכבים על גבי תאים סולאריים או מנועי מכוניות, בלי שהמשתמש מודע לנוכחותם. כיום, התעשייה עושה שימוש בתהליכים כימיים רטובים או בתהליכי פלזמה בוואקום לצורך יישומי ציפוי. לשתי השיטות יש חסרונות. תאי ואקום הם יקרים, מוגבלים לרכיבים קטנים, ודורשים זמן רב, באופן יחסי. תהליכים כימיים רטובים דורשים לעיתים אנרגיה רבה והם בעייתיים מבחינה סביבתית. לעיתים קיימים גם קשיים בתהליכים אלו בכל הקשור בטיפול בקומבינציות של חומרים כגון פלסטיק עם מתכות ואלומיניום עם פלדה.
“חייבת להיות דרך נוספת”, כך חשבו ד”ר יורג איד וד”ר אווה לומאטש ממכון פראונהופר לטכנולוגיה וחומרים מתקדמים שבעיר ברמן. צוות המחקר בשיתוף עם חברת Plasmatreat פיתח תהליך ציפוי פלזמה הפועל בלחץ סביבתי, כלומר באטמוספירה פתוחה. “הדבר מהווה אתגר רציני”, מסביר ד”ר יורג איד. “מאחר שהלחץ הוא גבוה פי 10,000 ויותר, והסביבה אינה תא ואקום, ולכן נאלצנו לעצור חלקיקים לא רצויים מלהתגבש על הציפוי. זה היה למעשה המפתח ביצירת תהליך תעשייתי יציב ויעיל באמצעות מערכת הפלזמה”.
פיה אחת - מספר ציפויים
האלמנט המרכזי בפיתוח החדש היא פיית הפלזמה, שאינה גדולה מפיה טיפוסית של תרסיס. אך היא כוללת בתוכה מערכת ציפוי מורכבת. “בתוך הפיה פליטה חשמלית מחוללת הבזקים קטנים - פלזמה הנדחית מן הפיה בצורת סילון. אנו מזינים למוצא הפיה את אותם החומרים המעוררים (Excited) ומחלקים (Fragmented) באופן סיסטמתי ואז הם מוצאים מחוץ לסילון הפלזמה כשכבה ננו-מטרית פונקציונאלית אל תוך פני השטח”, מתאר ד”ר לומאטש. “אנו משיגים יחס דיפוזיציה גבוה במיוחד, מה שמאפשר לממש תהליך ייצור מהיר וכדאי כלכלית.”
השימוש בפיה מאפשר לפזר את הציפוי באופן מדויק במיוחד היכן שהוא נדרש, ולכן היא גם חוסכת בסופו של דבר במשאבים. “אנו מסוגלים לשלוט בתהליכים כך שאותה הפיה יכולה להיות מיושמת עבור ציפויים עם פונקציונאליות שונה, כגון הגנה מפני קורוזיה או הגברה/החלשה של דביקות”, מסביר ד”ר איד. רק כמויות זעירות של חומר ציפוי נדרשות ובאופן מעשי כל החומרים וקומבינציות החומרים ניתנים לציפוי. התהליך מציע, בנוסף לתכונות הציפוי והפונקציונאליות, יתרונות נוספים: ניתן לשלבו בקלות יחסית בתוך תהליך הייצור, הוא דורש מעט שטח וניתן למכן (automate) אותו בקלות - ניתן לשליטה באמצעות רובוט. יתרון נוסף טמון בעלויות הנמוכות שלו ובשמירה על הסביבה שהוא מעניק. כל התכונות החיוביות של התהליך מעניקות יתרונות רבים עבור מגוון רב של תהליכי ייצור תעשייתיים: מריחת שכבה של חומרי הדבקה באופן מדויק כמו במקרה של ציפוי השוליים של שמשות רכב לפני שלב ההדבקה, החלפת כימיקלים מזהמים או שכבות עבות מדי בלוחות מעגלים - דבר התורם רבות לפיזור החום בלוחות ובכך לאורך החיים שלהם.
התהליך נמצא כיום בשימוש בתעשיית הרכב והאנרגיה, וכרגע היישום העיקרי שלו הוא אכן בתחום הציפויים כנגד קורוזיה ובלאי. צמד המדענים שפיתח את התהליך זכה בעקבותיו בפרס מכון פראונהופר לשנת 2012 עבור הפיתוח היעיל ביותר מבחינת משאבים.
תעלת נועל אנטי-קורוזיבית
אחד הפיתוחים היותר מעניינים של השנים האחרונות, שזכה להיבחר כאחד מהמוצרים החדשניים של השנה בתחום האנטי קורוזיה, תואר שמעניק המגזין Materials Performance של האגודה הבינלאומית למהנדסי קורוזיה (NACE), היא תעלת נועל חדשנית שפותחה בבריטניה וגרמניה ועברה בשנה שעברה להפצה מסחרית מלאה באמצעות חברת STAUFF.
התעלה (“קלמפה”) בעלת השם ACT (Anti Corrosion Technology) בעלת העיצוב החדשני מציעה פיתרון להתקנות צנרת בהן קיימת חשיבות רבה ביותר לתכונות אנטי-קורוזיביות (דוגמת צנרת תת-ימית מאסדות גז ונפט), התכנון המקורי של הקלמפה אינו שונה בהרבה מהקלמפות הרגילות שהחברה מציעה, אך באמצעות הרכב החומרים מהם היא בנויה, הגיאומטריה הייחודית שלה הקלמפה מונעת היווצרותם של בקיעי קורוזיה מתחת לגוף התעלה בחיבור עם הצינור, דבר הנפוץ במיוחד בצנרות הממוקמות בקרבת חוף הים.
בבדיקות עצמאיות, שנערכו הן במעבדות החברה בגרמניה והן במרכז לחקר הקורוזיה באוניברסיטת שפילד, נמצא כי הקלמפות החדשות אכן מאריכות את חיי הצנרת המכוסה בקלמפות ACT בהשוואה לצנרת שכוסתה בקלמפות רגילות.
היתרון הגדול של הקלמפות ביחס למוצרים דומים אחרים בא לידי ביטוי כאשר מיושמות ההנחיות הנוגעות לסוגי הצנרת והמרכב הנדרש. קלמפות ה-ACT מבטיחות מניעה מוחלטת של הצטברות מי ים בין הקלמפה לבין הצינור המושגת בזכות תכנון גיאומטרי של רצועות גומי הנמצאות במגע עם הצנרת, הדינאמיות של רצועות אלו יוצרת גם מעין תעלות ניקוז המסייעות אף הן בסילוק המים.
נוסף למבנה הגיאומטרי הייחודי, הקלמפות עשויות פלסטיק PP-V0 (העמיד בפני אש) ותרכובות גומי מיוחדות (אלסטומר אנטי-קורוזיבי) והן מציעות עמידות לא רק בפני שמן, מים ומי-מלח אלא גם בפני אש, ואפילו קרינה אולטרה-סגולה.
לימודי קורוזיה במאה ה-21
זוכה נוסף בתואר החדשנות ל-2012 שהעניקה האגודה הבינלאומית למהנדסי קורוזיה (NACE) באמצעות המגזין Materials Performance הוא משחק המחשב CorrSim הזמין ברשת. משחק זה דומה באופיו למשחקי הדמיה אחרים ומוכרים, אך המטרה שמסתתרת מאחריו היא חינוכית: סטודנטים, תלמידים וסתם אנשים מן השורה יכולים ללמוד באמצעותו על הגורמים לקורוזיה במבנים מעשה ידיד אדם, התוצאות הכלכליות ההרסניות של הקורוזיה, וכיצד ניתן ללחום בקורוזיה.
הסימולאטור האינטראקטיבי נעזר במחקר רב לצורך הבנת האלמנטים השונים של גורמי הקורוזיה וההגנה מפניה ושילובם בצורה גראפית ומונפשת במשחק. התוצאה הסופית היא מפתיעה, גם עבור אלו שאינם מתעניינים בתחום: חווית המשתמש אפקטיבית למדי, וניתן לשחק בסימולאטור גם כאפליקציית Facebook או iPad.
כנראה שאין ברירה אלא לצעוד עם הטכנולוגיה, ובימים בהם משחקי מחשב הם הרבה יותר מסתם שעשוע של פנאי, והפלטפורמות של הרשתות החברתיות והמכשירים הניידים משמשים לצרכים חינוכיים, CorrSim מהווה דרך נפלאה להגיע לציבור הרחב לצורך עידוד המודעות לתופעה אקולוגית וכלכלית חשובה זו. הדרך הוויזואלית בה מוצגת הקורוזיה, בשילוב היכולת להרוויח סכומי כסף וירטואליים באמצעות שמירה על פסי ייצור נקיים מקורוזיה, כמו גם האפשרות לבנות מפעלים נוספים, שגם אותם צריך לשמור נקיים מקורוזיה מהווים דרך מצוינת עבור המשתמש להבין מהן הדרכים השונות בהן ניתן להיאבק בחלודה, ואת תוצאות המאבק ניתן לראות באופן די מיידי ומרשים על גבי מסך המחשב.
הבחירה בדרכים השונות להילחם בתופעה, והתוצאות שכל אחת מדרכים אלו מובילה אליהן מבחינת עלויות, עמידות ואורח חיי המבנה, מבטיחות כי העקרונות הבסיסיים נלמדו אצל המשתמש גם אם לא באופן מדעי מדוקדק, מה שעשוי אף להתרחש בעתיד בזכות העובדה שנחשף למשחק, וזו, בתמצית, המטרה אותה הציבו בפניהם מפתחי המשחק - “מודעות לעולם באה לפני המעשה הרלבנטי”.
הנקודה הישראלית
ד”ר אליק גרויסמן, מרצה במכללה האקדמית להנדסה אורט בראודה ויו”ר אגודת מהנדסי הכימיה והכימאים בישראל, זכה אף הוא להיכלל בין מקבלי פרס החדשנות של NACE, לאחר שזכה בפרס מיוחד על ספרו “Corrosion For Everybody” (“קורוזיה לכולם”), שעוסק בתחום הקורוזיה והשפעותיה על הסביבה. ספרו של ד”ר גרויסמן נבחר ע”י קוראי המגזין Materials Performance כאחד מן החידושים פורצי הדרך בתחום. ד”ר גרויסמן בחר לציין את העובדה שהספר נכתב גם עבור אלו שאינם עוסקים בתחום הקורוזיה ברמה היומיומית, ואולי דווקא בשל כך בחרו בו רבים כל-כך.