מודלים חדשניים לחיזוי רגישויות ומהירות פיצוץ של חומרים אנרגטיים

בגיליון האחרון של כתב העת Processes (Open access) פורסם מאמר בנושא מודלים חדשניים לחיזוי רגישויות ומהירות פיצוץ של חומרים אנרגטיים.

לחומרים אנרגטיים יש יישומים נרחבים הן בתחום הצבאי והן בתחום ההנדסי. בהתבסס על מרכיביהם, ניתן לסווג אותם לחומרים אנרגטיים חד-רכיביים ומרוכבים. לפי תרחישי היישום שלהם, ניתן לחלק אותם לחומרי נפץ, להודפים ולפירוטכניים.

ההכרח בבטיחות בעבודה עם חומרים אנרגטיים עולה ככל שצפיפות האנרגיה עולה. תקריות בטיחות נגרמות על ידי חומרים אנרגטיים בעלי צפיפות אנרגיה גבוהה, שכן ביצועים גבוהים של חומרי נפץ נמצאים במיתאם עם רמת בטיחות נמוכה. לכן, תכנון בטיחות ממלא תפקיד מכריע בסינתזה וביישום של חומרים אנרגטיים.

התכונות הפיזיקליות העיקריות של חומרים אנרגטיים הן רגישות ונפיצות; הראשונה מייצגת יציבות, ואילו האחרונה מייצגת ביצועים. רגישות מתייחסת לרמות סף שבהן חומרים אנרגטיים עוברים פיצוץ כאשר הם נחשפים לסוגים שונים של גירויים. נפיצות קובעת את תרחישי היעילות והיישום של חומרים אנרגטיים.

חומרים עם מהירות פיצוץ גבוהה ולחץ פיצוץ גבוה מתאימים ליישומים צבאיים ותעשייתיים, הדורשים כוח הרס (ריסוק) גבוה, בעוד שחומרים עם חום פיצוץ גבוה עשויים לשמש בתרחישים הדורשים כמות גדולה של שחרור אנרגיה.

רגישות למכה נמדדת בדרך כלל על ידי מבחן נפילת הפטיש: פטיש בעל מסה מסוימת מוטל מגבהים משתנים על דגימה טעונה מראש של חומרים אנרגטיים. הגובה שבו מתרחשים פיצוצים ב-50% מהבדיקות נקבע ונרשם כמדד לרגישות לפגיעה.

רגישות לניצוץ חשמלי מתייחסת למידת הרגישות של חומרים אנרגטיים לפריקה אלקטרוסטטית. בדומה לרגישות למכה, היא מכומתת על ידי אנרגיית הפריקה הנדרשת להשגת הסתברות של 50% ליזימה.

מהירות פיצוץ, חום ולחץ הם הפרמטרים העיקריים להערכת ביצועי הפיצוץ של חומרים אנרגטיים. מהירות פיצוץ מתייחסת למהירות שבה גל הניפוץ מתפשט בתווך חומר נפץ. היא משקפת את קצב ועוצמת שחרור האנרגיה במהלך תהליך הפיצוץ. מהירות פיצוץ גבוהה יותר מצביעה בדרך כלל על קצב שחרור אנרגיה גבוה יותר ועל כוח הרס גדול יותר.

השגת נתונים בניסויים עבור מאפיינים אלה היא יקרה ומסוכנת. כפועל יוצא, שיטות שונות ורשתות עצביות יושמו כדי לחזות תכונות אלה, אולם גודל המדגמים הקטן של נתוני הניסויים הניב מודלים עם מגבלות ביעילות הניבוי, דיוק לא מספק, והסתמכות בלתי נמנעת על תכונות הניסויים.

כדי להתמודד עם אתגרים אלה, המחקר הנוכחי השתמש בשיטות חדשניות כדי לפתח שלושה מודלים תמציתיים ורב-תכליתיים נוספים לחיזוי יעיל של רגישות לפגיעה, רגישות לניצוץ חשמלי ומהירות פיצוץ של חומרים אנרגטיים.

החוקרים דיווחו כי נמצא שהמודלים שיפרו באופן משמעותי את דיוק חיזוי הרגישות לפגיעה, ולראשונה הציעו מודל יעיל לחיזוי רגישות לניצוץ חשמלי.

מודלים אלה יכולים לשמש כלים פשוטים, תמציתיים ויעילים לחיזוי תכונותיהם של חומרים אנרגטיים חדשים או בלתי מאופיינים, ולספק בסיס איתן לזיהוי וסיווג גורמי סיכון במהלך תכנון מתקנים ולצורך ניתוח סיכונים כמותי עבור קווי ייצור במפעלים של חומרי נפץ צבאיים או פירוטכניקה אזרחית.

יתר על כן, מודלים אלה מאפשרים חיזוי של תכונות רגישות וביצועי פיצוץ, המבוססים אך ורק על מבנים מולקולריים בשלב התכנון של חומרים אנרגטיים חדשים. דבר זה מבטל את הצורך בהליכי ניסוי מסוכנים ולא יציבים, ומשפר באופן משמעותי את יעילות התכנון המולקולרי של חומרים.

המידע מסתמך על פרסומים שהופיעו בקבוצות ה-LinkedIn שאני מנהל: Explosives / Blasting (Energetic Materials) OSH ו-Fireworks and Pyrotechnics OSH.