היתרון טמון באנרגיה

התחרות בשוק מערכות הנשק בעולם מתחממת ובאלביט מערכות מהמרים על פיתוח סופר-קבלים מתקדמים, שיגדילו את קבועי הזמן בין טעינות של מוצרי החברה. ראיון מיוחד

ארז שרייבר וד"ר ארווין טל גוטלמאכר (צילום: אסף הבר)

"רוב הפתרונות בעולם מבוססים על קבלים. השוק הלך לרכיבים האלו כי הוא חיפש חלופה לסוללות גיבוי. סוללות זו בעיה מאד קריטית כי הן דורשות אחזקה ואתה לא יודע מתי הסוללה נגמרת. בסוללות בצבא יש משטר החלפה לפי הוראות יצרן כי אחרת היא לא תוכל לשמש גיבוי בעת הצורך", מסביר ארז שרייבר, מנהל יחידה עסקית לאנרגיה ומערכות הספק בחטיבת היבשה של אלביט מערכות.

מדובר ביחידה העוסקת בפיתוח פתרונות אנרגיה שעתידה לתת למוצרים של אלביט יתרון על המתחרים. היחידה הוקמה לפני כ-5 שנים ביוזמה של בצלאל (בוצי) מכליס, המנכ"ל הנוכחי של החברה.

מיליון מחזורי טעינה
 
לעומת הסוללה, סופר קבל יכול לעשות מיליון מחזורי פריקה-טעינה. הוא לא דורש אחזקה ומתח התא הוא בערך 2.6 וולט. שהתחילו לחפש באלביט פתרונות של 200 וולט, הגיעו למבוי סתום. בשביל מתח כזה, צריך לחבר מאה תאים כאלו במטריצה וזה כבר דורש אחזקה כי צריך לשמור על איזון מתחים בין התאים. אם יש ביניהם הפרשי מתח, זה שיש לו מתח גבוה יותר יכול להתפוצץ. אז בונים מערכות איזון שדואגות לווסת את המתח על התאים. מספיק שקבל אחד נפגע, כל המטריצה הלכה לאיבוד כי כולם מחוברים בטור.

"לנו זה לא התאים. במערכות צבאיות אתה לא יכול להרשות נקודת כשל אחת, אתה חייב יתירות. נחשפנו לטכנולוגיות אחרות ופיתחנו קבל שבנוי כמו קובייה. כל תא נראה כמו ריבוע דק מאד שבפנים יש אלקטרודות, פחם ואלקטרוליט. אבל בקבל של 200 וולט, יש 200 תאים כאלו, שלוש פעמים, במקביל. ככה מקבלים יתירות. המוצר גם מתאים לפלטפורמות כמו טנקים. הוא עמיד גם במתארים צבאיים", מסביר שרייבר.

"על בסיס הטכנולוגיה הזו סגרנו פערים בין מה שקיים בשוק לבין מה שרצינו. חיפשנו לעבוד עם אלקטרוליט מימי, בשוק היה אורגני. הוא אמנם מאפשר מתח תא של 2.7 וולט, אבל ברגע שיש קצת לחות הוא מפסיק לתפקד ובנוסף הוא דליק. ובעת שריפה, הוא פולט ציאניד. זאת מערכת שלא יכולה להיות בפלטפורמה צבאית או באזור שיש אנשים.

"בשונה מהאורגני, אלקטרוליט מימי יכול מקסימום לפלוט אדי מים. הבעיה שלו הוא שיש לו מתח תא של 1-1.2 וולט. התחלנו בפער אנרגיה בין החומרים, לרעתנו. פיתחנו חומרים חדשים וטכנולוגיות אטימה. עשינו מחקרים בסוגי פחמים ותוספים לקבל. היום יש לנו קבל כמו מצבר, הוא מסוגל להוציא 10000 אמפר ב-16 וולט. את הקבל אפשר לייצר בפורום פקטור שונה ולהתאים אותו לכל מקום. מייצרים אותם גם כסופר קבלים וגם בפתרונות 'פסאדו', שזה הכלאה בין מצבר לקבל".

מצבר עובד על עיקרון פירוק והרכבה של חומר - שהחומר מתפרק הוא מוציא אלקטרונים דרך המערכת, ופוגש את החומר בצד השני ומרכיב אותו מחדש. כל הזמן יש תהליך של פירוק והרכבה של החומר וזה מגדיר את מספר מחזורי הטעינה. בקבל המטען החשמלי עובר בצורה סטאטית בתוך החומר משכבה אחת לשנייה בגלל הפרשי פוטנציאל. אין פירוק והרכבה של החומר ולכן הוא מסוגל לספק יותר מחזורי טעינה. בצורה אחרת - בקבל זו רק תנועה של מטענים בתוך החומר, אין פירוק והרכבה של חומר.

"מצבר של רכב למשל, נפרק בגלל הפרש פוטנציאל ואז צריך לטעון אותו. המנגנון דומה לקבל, רק שבמצבר יש פי 50 יותר אנרגיה. אם רוצים לעשות רכב חשמלי מבוסס על קבל, הוא צריך להיות גדול פי 50 בשביל אותה כמות אנרגיה. זה לא הגיוני. מצד שני, קבל יכול להיטען בשניות. מצבר נטען ב-4 שעות. יש שחלוף בין זמן טעינה, כמות אנרגיה, אורך חיים, אמינות ועלות. יש יישומים שאתה לא צריך כל כך הרבה אנרגיה, אבל תרצה אורך חיים", אומר שרייבר.

"במציאות, אתה לא מנצל בכל יום את האנרגיה שיש במצבר של הרכב. חלק מהמערכות עובדות דרכו, אבל אתה לא פורק אותו כל יום. אתה לוקח קצת כל יום ומחליף אותו כל שנתיים בממוצע. עכשיו תחשוב על מוצר שנותן בדיוק את האנרגיה שאתה צריך, אבל יחיה לאורך כל חיי הרכב. הוא יישר את המתח של האלטרנטור, ייתן את האנרגיה להצתה ולכל המערכות, אבל לא תצטרך להחליף אותו לעולם".

מצבר ננו-מטרי

שרייבר מסביר שנפח הקיבול הוא שטח הפנים של המשטח הפחמי. "עכשיו תחשוב על משטח כזה בגודל אטום אחד של פחמן. רצף של אטומי פחמן מחוברים אחד לשני בעובי של אטום. המטרה היא להביא חומר דיאלקטי ומבודד למשטח כזה, כדי לצור סנדוויץ' של משטחים כאלו שעוביו ננומטר אחד עם כמות אנרגיה ששקולה למצבר. בעובי של מילימטר אפשר לשים כ-1000 שכבות. בטכנולוגיה כזו, מצבר ברכב חשמלי יהיה השטיח שלו. בעובי של חצי סנטימטר יהיה כיבול של מצבר רגיל שיטען בדקה. בשלוש-ארבע שנים הבאות אנחנו מתכננים דגמים כאלו. לפני 100 שנים לא ידעו להפיק אנרגיה אטומית. תבין איזו התקדמות עשתה האנושות מאז".

סופר קבלים יכולים לשמש גם מערכות תחבורה הדורשות פרץ אנרגיה גבוה בזמן קצר. באלביט מפתחים חומרים, אריזה וזיווד. שרייבר אומר שיש עדיין מספר פערים, אחד מהם הוא לשפר את צפיפות האנרגיה למשקל (קילווואט-שעה/קילוגרם). "ברגע שנשפר את זה נהיה עם מוצר ייחודי בשוק". על בסיס הטכנולוגיה הזו, הציעה אלביט ליישם פתרון מבוסס קבלים לתחבורה ציבורית בישראל. הרעיון היה להתקין באוטובוס כמות מספקת של אנרגיה למרחק שבין שתי תחנות, ובכל תחנה לטעון את הקבל למשך 20 שניות. בצורה כזו אומרים באלביט, אפשר לקבל אוטובוס חשמלי מהיר שעובד 24 שעות רצוף.

"לאוטובוס זה פתרון פשוט יחסית כי הוא עובר במתאר נסיעה קבוע, הוא עוצר בתחנות, ופרופיל הנסיעה שלו יציב. לכן נוח לממש בו פתרונות שעושים אופטימיזציה", מסביר שרייבר. "המטרה בפתרון זה להעלות איכות חיים. תחשוב שלא נוסעים אוטובוסים מרעישים שפולטים עשן מתחת לבית שלך. בעיניים של עירייה זה הישג". הפרויקט הוצע למנהלת תחליפי דלק במשרד רוה"מ. במהלך התקופה הקרובה אמור להתחיל פיילוט של אוטובוס עם מנוע חשמלי, מערכת טעינה בגג האוטובוס ומערכות טעינה בתחנות. מדובר במערך שלם שיוכל להדגים באופן מלא את התפיסה הזו.

מכוונים לשוק התחבורה
 
למרות שאלביט נתפסת כחברה ביטחונית, פתרונות האנרגיה המפותחים ביחידה של שרייבר יכולים לפתוח לחברה את הדלת גם לשווקים חדשים - אחד מהם הוא התחבורה. מעבר לאוטובוסים החשמליים, סופר קבלים עתידים להשתלב גם ברכבים פרטיים. "יש תפיסה של שילוב מנועי בנזין קטנים וחסכוניים עם מנועים חשמליים. יש תהליך שנקרא רה-גנרציה - בתהליך הבלימה אוגרים אנרגיה קינטית. אם אתה יודע לשמור אותה אז אתה מרוויח. כאן משתמשים בקבלים", מסביר שרייבר.

"כיוון נוסף הוא שימוש במנועים חשמליים שיעזרו למנוע הבנזין. היום יש סטארטר שמחובר בציר למנוע. על אותו ציר אפשר להרכיב מנוע חשמלי עם חור באמצע (hollow shaft motor) שיושב על הציר שמחבר בין המנוע לגיר והוא למעשה חלק מהגיר. שהמנוע בנזין עובד, הוא גנרטור שמייצר חשמל. אבל, כאשר הרכב נמצא בעלייה קשה, אפשר להזרים לו זרם ולהפעיל אותו בכיוון השני כך שיעזור למנוע הראשי. מנוע וגנרטור הוא אותו מוצר - פעם אתה ממיר אנרגיה מכנית לחשמלית ופעם אחרת הפוך.

"בתעשיית הרכב הולכים למנועי בנזין קטנים מאד חסכוניים שמיועדים למהירות שיוט, ומנועים חשמליים להאצה. היתרון הוא שהמנוע בנזין יכול לפעול כל הזמן במשטר קבוע ואיפה שצריך תוספת, נכנס מנוע חשמלי שהוא יעיל מאד במצבים כאלו. הם יושבים על אותו ציר. אלו מערכות מיקרו-היבריד וגם הן צריכות סופר קבלים".

להטעין קבל עם המימייה

"אנחנו מנסים להכניס את הקבלים כחלופה למצברים בטנק המרכבה. בטווח היותר ארוך, המטרה היא להחליף את המצברים לשעת חירום בימ"חים. במצבר אתה לא יודע אף פעם כמה אנרגיה נשארה לך, בסופר קבל אתה יכול למדוד כל הזמן את המתח. במערכות שרוצים אמינות גבוהה, מחליפים מצברים בתכיפות גבוהה, יותר מאשר צריך כי לא יודעים מה המצב של המצבר. זו הסיבה שלפני מבצע תמיד לוקחים עוד סט סוללות, לא משנה מה מצב הסוללות הקיימות. זה לא יעיל.

"אפשר לשפר משמעותית את משק המצברים בצה"ל. תוסיף את העובדה שאין לקבלים הזדקנות. טמון כאן יתרון כלכלי ומבצעי (סוחבים פחות). בנוסף, יש את מגבלת זמן הטעינה של המצבר. בעידן שבו כל מרכיב בצה"ל תלוי בטכנולוגיה, מלבוש חכם על החיל, מערכות קשר ועד צי"ד בפלטפורמות, צריך לשאול מה יקרה ביום פקודה.

"תחשוב שכל המערכות בצה"ל לחייל יהיו מתקדמות. עכשיו יש אירוע, וצריך להטעין את כל הסוללות בימ"חים. מה יעשו במטכ"ל? יתנו הוראה לטעון את אלפי הסוללות במחסנים כי בעוד יומיים יש מבצע בעזה? ואם בסוף לא יכנסו לעזה? אז פורקים את כל אלפי הסוללות? ברגע שאתה מכניס טכנולוגיות חדשות לצה"ל אתה יוצר בעיית אנרגיה. לעומת הסוללה, בסופר קבל הטעינה היא בחמש דקות. זה הבדל מהותי".

אחת המגבלות בסופר קבל היא שאי אפשר לשנות את המוצר תוך כדי עבודה. כמות האנרגיה שלו נקבעת בתהליך הייצור. יחד עם זאת, אפשר לייצר אותו כך שניצול האנרגיה יהיה בשלבים - כלומר, אפשר יהיה לנצל את האנרגיה בשלבים. המוצר של אלביט מאפשר גם חריגה זמנית של 30 אחוזים מהמתח המרבי שנקבע בלי לפגוע באורך החיים של המוצר.

עוד יתרון במוצר של אלביט טמון ביכולת אנרגיה אד-הוק. כלומר, אפשר לבנות למשל קבל עם חמישה תאים, כאשר לרוב השימוש הוא רק בתא אחד. ארבעת התאים האחרים הם רק פחם שתופס 30 אחוזים מהמשקל המלא של התא. ואז, כאשר המשתמש בשטח צריך עוד אנרגיה, הוא פשוט ממלא עוד תא במים מהמימייה. "אלו דברים שאנו חושבים עליהם. אם נייצר קבלים ברמה אטומית, לפורום פקטור בכלל לא תהיה משמעות. הוא לא יהיה מגבלה יותר".

כחלק מהפיתוחים העתידיים, בונים באלביט מעבדה חדשה בתחום שנקרא Ionic Liquids. זה התחום העתידי של קבלים. זה אלקטרוליט שיאפשר להעלות את מתח התא ל-6 וולט בלי לפגוע בתכונות הכיבול וב'ירוק'. "מדובר בחומר שיש לו פוטנציאל להביא לשוק קבלים שווי ערך למצבר עופרת-חומצה. כמו זה שיש באוטו. זו תהיה קפיצת מדרגה. זה לא רק יטען מהר, זה יביא גם צפיפות אנרגטית גבוהה", מסביר שרייבר.

"מדובר במחקר של חמש שנים לייצר אב טיפוס הנדסי ועוד שנתיים מעבר לייצור המוני. זו השקעה כספית גדולה מאד של מיליוני דולרים. הפיתוח מתבצע יחד עם האקדמיה במסגרת מאגדים של המדען הראשי וכן בצורה ישירה. פיתוח חומר כזה דורש אמצעים שאין לנו באלביט, כמו מיקרוסקופים אלקטרוניים ומכשירי מדידה שיש רק באקדמיה.

"אם הטכנולוגיות הללו יבשילו לערוץ הכנסות עצמאי באלביט, מצוין. אבל המטרה הראשית של המחקר בתחום האנרגיה היא להשיג יתרון על המתחרים. אם הייתי מפתח מכשיר קשר שלא צריך לטעון אותו, הייתי משיג יתרון על המתחרים שלי". 

You might be interested also