הרחפן שיזיז את העולם: מכף ידכם ועד למרחקים מפתיעים

הכתבה נכתבה במקור ופורסמה לראשונה באתר N12. לחץ כאן לצפיה בכתבה המקורית

בעוד שבעולם מתאמצים להקטין את מנועי הרחפנים במטרה לשפר את ביצועיהם, בטכניון שבחיפה השיגו פריצת דרך בשיטה אחרת לגמרי • מנוע זעיר שגודלו סנטימטרים בודדים וכל רכיביו מיוצרים במדפסת תלת מימד יאפשר להטיס את הרחפנים פי 5 יותר זמן ובמחיר זול: "שווי הפיתוח נאמד במאות מיליוני דולרים"

העולם שלנו משתנה, בטח בתקופת הקורונה שהולכת ונראית כבר כמו שגרה מעיקה שלא תגמר לעולם. המצב החדש מציב בפנינו שלל אתגרים שעד עתה כמעט ולא היה לנו צורך להתמודד איתם – ובמקביל גם לא מעט הזדמנויות. השנה החולפת האיצה מאוד את כניסתם של רחפנים לחיינו – בשינוע מזון, תרופות ומנות דם ובמשלוח מוצרי צריכה בטווחי זמן קצרים. גם בישראל גובר השימוש ברחפנים, והפיילוט שמתקיים בימים אלה יכול לעשות מהפכה אמיתית בתחום.

מנוע זעיר וחדשני שפותח בטכניון יגדיל במאות אחוזים את טווח הטיסה של רחפנים ומטוסים זעירים ללא טייס. המנוע, שכבר הוגש לרישום כפטנט, צפוי לחולל שינוי דרמטי שישפיע על ענפים שונים כמו משלוחים, בידור, חילוץ והצלה ותחומים נוספים. המנוע לא מתאים למטוסים גדולים אלא לכלי טיס בלתי מאוישים במשקל 6 קילוגרמים ומטה.

השימוש ברחפנים, במזל"טים ובמל"טים קטנים כרוך בשורה של אתגרים טכנולוגיים, ואחד העיקריים שבהם הוא טווח הטיסה – שנכון להיום לא מגיע מספיק רחוק. כלי הטיס הקטנים האלה מונעים כיום באנרגיה חשמלית מסוללות ליתיום – אנרגיה המגבילה את משך הטיסה לעשרות דקות בלבד, ובכך מורידה מיעילותו של הרחפן ומייקרת את השימוש בו.

אז מה עשו בשביל לפתור את הבעיה? בעשורים האחרונים נעשה מאמץ מתמשך למזער תצורות קיימות של מנועי טורבינת גז – מנועים מבוססי דלק המוכרים לציבור הרחב כמנועי סילון. אלא שהקטנת המנועים משפיעה על תכונות רבות ובהן יציבות המערכת, טמפרטורה כללית, מעבר חום ותנועת הגז בתא הבעירה. בשורה התחתונה, שינויים אלה מפחיתים באופן ניכר את היעילות האנרגטית של המנועים.

שווי השוק: כ-13 מיליארד וחצי דולר – רק למטרות אזרחיות
הקטנת מערכת מנוע גדולה לא תפתור את הבעיה שמגבילה את תחום התעופה הזעירה. אבל לא ייתכן שאין פתרון לבעיית טווח הטיסה של הרחפנים – בטח לא בעולם שהצליח בתוך שנה לפתח חיסון לקורונה. ואכן, פיתוח חדש צפוי להוביל לשינוי משמעותי בתחום ולהצעיד את עולם הרחפנים כמה צעדים קדימה.

הפיתוח מגיע מהמעבדה לטורבו-מכונות ומעבר חום בראשות פרופ' בני צ'וקורל מהפקולטה להנדסת אווירונאוטיקה וחלל בטכניון. פריצת הדרך שפרסמו צ'וקורל וחבריו מבוססת על שינוי תפיסה מהותי: במקום הקטנת מנועים קיימים, פיתחו החוקרים מנוע חדש לגמרי שמבוסס על האווירודינמיקה הייחודית של התנהגות גז בחללים קטנים. המנוע מצליח להתגבר על מגבלות החומר ועל מגבלות הרכיבים השונים במנועים הקיימים.

השינוי ניכר גם במבנה החדשני של המנוע, השונה מאוד מהתבנית המוכרת של מנועי טורבינת גז. לראשונה בהיסטוריה, כל הרכיבים המסתובבים במנוע מיוצרים כיחידה אחת בהדפסת תלת-ממד. ולא רק זאת: גם תא השרפה מודפס בטכנולוגיית תלת־ממד ועיצובו שונה מזה של תא בעירה רגיל – צורתו מזכירה רשת תלת־ממדית, וזו מייצרת בעירה מיטבית בתאים קטנים.


קרדיט צילום: ניצן זוהר, דוברות הטכניון

התוצאה היא מנוע זעיר בגודל של כ־5 סנטימטרים, המייצר הספק של 300 וואט. משקל המנוע כ־200 גרם והוא יונע בדלק במשקל כולל של 700 גרם, כך שהמערכת כולה תשקול פחות מ-1 ק"ג. בפועל זה אומר שצפיפות האנרגיה שהמנוע הזעיר מפיק גדולה פי 5 מסוללות המשמשות כיום בכלי טיס זעירים, מה שיאפשר הארכה משמעותית של משך הטיסה מכ־30 דקות לשעתיים וחצי.

יגדיל במאות אחוזים את זמן הטיסה
"בשלוש השנים של פיתוח המנוע שיפרנו לא רק את ביצועיו של כל אחד מהרכיבים בנפרד אלא גם את ביצועי המנוע כמכלול שלם", מסביר פרופ' צ'וקורל ל-N12. "אחרי שהשלמנו ניסויים ברכיבים הנפרדים, אנחנו מעריכים שגם הניסוי במערכת השלמה יצליח ויקדם אותנו לקראת אפשרות של ייצור מסחרי. השאיפה שלנו היא להתאים את המנוע לדיזל, שהוא דלק זול, זמין ויציב מאוד. שווי השוק הרלוונטי, ביישומים אזרחיים בלבד, נאמד בכ-13.6 מיליארד דולר רק ממכירות המנועים וזה בלי השימוש הביטחוני שהולך וגובר. הוא כמובן גדל פי כמה כשמדובר בכלי טיס שלמים".

נשאלת השאלה איפה הפיתוח החדש ישפר את החיים שלנו. "שוק היעד של הרחפנים והכטב"מים הקטנים הוא שוק הולך וגדל. כאשר מדובר במטרה של צילום לצורכי בידור, מחירי הרחפנים גבוהים בדרך כלל מאלף דולר ומחיר הסוללה נע בין 100 ל-500 דולר, מסביר פרופ' צ'וקורל. "מחיר המוצר שלנו, אנו משערים, יעמוד על 248 דולר ולכן הוא תחרותי כשלעצמו, ובוודאי אם לוקחים בחשבון את יתרונו העצום – הגדלת טווח הטיסה ביותר מפי 5".


פרופ' צ'וקורל וצוות המעבדה. קרדיט צילום: ניצן זוהר, דוברות הטכניון

לדברי החוקרים, שווי השוק הפוטנציאלי של המוצר לשנת 2023 הוא בסביבות 272 מיליון דולר רק ביישומים אזרחיים. הטכנולוגיה החדשה היא במהותה טכנולוגיה מגדילת טווח. היא מגדילה במאות אחוזים את זמן הטיסה ולכן גם את מרחק הטיסה. המערכת החדשה רלוונטית לרחפנים שמשקל הסוללה שלהם עד קילוגרם ומהירות הטיסה שלהם עד 50 קמ"ש – למשל רחפנים למשלוחים קלים או רחפנים הנושאים מצלמות או חיישני אינפרה-אדום.

פרופ' צ'וקורל מבקש להזכיר את כל מי שלוקח חלק בפיתוח: "בשלב המחקרי של פיתוח המנוע משתתפים לוקאס באדום ופבל קובליוב. לוקאס עוסק בתוכן ואופטימיזציה של רכיבי המנוע השונים במסגרת לימודי דוקטורט, ופבל מפתח את תא הבעירה המיוחד של המנוע ומתאים אותו לדלק נוזלי במסגרת לימודי תואר שני בטכניון".


מיקרו-טורבינה-N12