מועד הפטירה של מנועי הבנזין במכוניות חדשות באירופה נקבע לשנת 2035, ובחלק מן המדינות זה יקרה 5 שנים מוקדם יותר. למרות זאת, על כבישי העולם מתגלגלים כרגע כמיליארד כלי רכב ועשרות מיליוני כלי רכב נוספים ייוצרו מעכשיו ועד לתאריך היעד. בנוסף לאלה, גם עמוק לתוך העשור הבא ייוצרו ודאי כלי רכב עם מנועי בעירה עבור שווקים מפגרים, בהם כנראה גם ישראל, וכל טכנולוגיה שיכולה לצמצם את תצרוכת הדלק ואת זיהום האוויר בהחלט מבורכת.
Transient Plasma Systems, חברה אמריקנית מקליפורניה, הדגימה לאחרונה מודל עובד של הצתה שעושה שימוש בהבזקים באורך ננו-שניות של פלזמה, אשר מציתים את תערובת הדלק-אוויר בתוך צילינדרים של מנוע בנזין. לדברי קברניטי החברה, מערכת מסחרית כזאת תוכל להחליף את המצתים של מערכת הצתה מסורתית שמבעירים את התערובת כיום, ושהיא תייעל במידה ניכרת (שנשמעת טובה מכדי להיות אמיתית) את נצילות המנוע.
TPS הציגה לאחרונה את הפיתוח שלהם במנוע מתוצרת טויוטה, בנפח 2.5 ליטר, שפועל בשיטת 'מחזור אטקינסון' ומציג יעילות תרמית גבוהה במיוחד של כ-40%. מנוע כזה מותקן למשל ב'קאמרי' הפופולרית.
אז מה בעצם ההבדל בין הצתה קונבנציונאלית, באמצעות מצת להט שמוכרת במנועי בנזין, לבין הצתת פלזמה?
ב"הצתת ניצוץ" רגילה מוצתת תערובת דלק-אוויר באמצעות חום, וחולף זמן מה עד שמתחילות בעירה. אנשי TPS טוענים שטכנולוגיית פלזמה דומה יותר לברק ומחוללת תהליך כימי מהיר יותר, וכך, בין השאר, מוצתת גם תערובת שניצוץ פשוט לא יכול להצית. לדבריהם, ניצוץ רגיל שובר את הקשרים הכימיים המולקולות הדלק, מה שלוקח זמן, ולעומת זאת הצתת פלזמה מבוססת על כח חשמלי (ולא על בעירה) אשר מאיץ את האלקטרונים על פני הגז ומנפץ אותם לתוך מולקולות הדלק-אוויר באופן שמפרק לשניים את קשרי החמצן. לפי הנתונים שלהם, בהצתה קונבנציונלית פחות מ-10 אחוזים מן האנרגיה מניעה את הצתת התערובת לעומת יותר מ -50 אחוזים מן האנרגיה בהצתת פלזמה. אחת התוצאות היא שריפה מהירה, יעילה ונקייה יותר עם פליטה מופחתת של פחמן דו-חמצני.
עצם הרעיון של "הצתת פלזמה" אינו חדש, והוא משמש בתהליכים תעשייתיים שונים כמו יצירת אוזון, ניקוי, טיהור, הכנת פני שטח לשיפור הדבקה, תהליכי ציפוי שונים ועוד. העניין הוא שכל התהליכים האלה מבוצעים לרוב במפעלים, תוך שימוש במתח גבוה מאד ועם רמת דיוק פחותה משמעותית מזאת שנדרשת במנועי בעירה. שימוש בהצתת פלזמה במנועי בעירה הוא חדשני, ודורש התאמות ייחודיות.
ככלל, "פלזמה" הוא מצב צבירה של החומר (בדומה לנוזל, גז ומוצק) ונהוג להבחין בין "פלזמה טבעית" (כמו בשמש) לבין "פלזמה אטמוספרית" שנוצרת כאשר מעוררים גז באמצעות מתח חשמלי גבוה. בגז מיונן (מלשון יונים), פלזמה היא תערובת של חלקיקים טעונים שמתנהגת שונה מאד מגז רגיל, וכאשר "מייצרים" אותה באופן מלאכותי אפשר להדגיש מאפיינים רצויים, כמו למשל "פלזמה תרמית" שנוצרת על ידי קשתות ריתוך, או "פלזמה לא תרמית", שבה נעשה שימוש בסביבות תעשייתיות. התהליך הפיזיקלי מספק לפלזמה אנרגיה על ידי המתח החשמלי שמאיץ חלקיקים טעונים, ומכיוון שהאלקטרונים הרבה יותר קלים מן היונים (המשקל, מסה, שלהם נמוך משמעותית) הם נעים במהירות גבוהה פי 100 מן היונים ובתוך כדי כך "מיינים" חלקיקים נוספים ויוצרים אלקטרונים חופשיים נוספים אשר שוברים קשרים נוספים בחומר.
TPS Ignition from Transient Plasma Systems on Vimeo.
התוצאה היא שקצב התגובה של אלקטרונים טעוני אנרגיה יכול להיות מהיר עד פי 1,000 מאלקטרונים שמונעים באמצעות חימום תרמי, וכך אפשר להניע תגובות כימיות יעילות ומהירות. טכנולוגיית הצתת פלזמה, כמו זו שפותחה על ידי TPS, עושה שימוש בפלזמה בטמפרטורה נמוכה שנוצרת באמצעות פולסים חשמליים באורך ננו-שנייה (לכן היא נקראת "פלזמה חולפת"). למרות שלפולס חשמלי כזה אין די אנרגיה אפילו כדי להצית גפרור – הוא מסוגל להצית תערובות אוויר-דלק ביעילות ובמהירות. אנשי TPS עדיין צריכים להתגבר על לא מעט אתגרים לפני שיוכלו להפוך את התיאוריה לפרקטיקה, אבל הם טוענים שהשיטה שלהם יכולה, בתיאוריה, לצמצם בכ-50% את פליטת תחמוצות החנקן.
אחרי ההסבר התיאורטי אפשר לדלג לשורה התחתונה ולצטט את אנשי TPS שטוענים שבמנוע שבו מותקנת המערכת שלהם הושג צמצום של עד 6% בתצרוכת הדלק ביחס למנוע עם מערכת ההצתה המקורית. בנוסף, מערכת הצתת הפלזמה הציגה עמידות משופרת ל"שריפה רזה" בהשוואה למערכת ההצתה המקורית, ולדברי המפתחים זה יכול לצמצם בעד 20% את תצרוכת הדלק, כפי שהוכח לפני כשנה וחצי בסימולציה שביצע מכון Sandia National Labs.
הדבר המלהיב ביותר בטכנולוגיה הזאת – הכל בהנחה שהיא ישימה, כלכלית, אמינה ותגיע לייצור מסחרי – זה שהיא לא מוגבלת למכוניות חדשות בלבד. לאחר התאמות נחוצות של המבנה הפיזי ובעיקר של מיפוי ההצתה של מנועים אפשר יהיה להתקין אותה במאות מיליוני מנועי בנזין קיימים כמוצר "אפטרמרקט".
משנים את ההיסטוריה של מנוע הבנזין
הצתת תערובת דלק באמצעות מצת חשמלי יושמה לראשונה לפני 162 שנים במנוע הבוכנה הראשון שהומצא על-ידי אטיין לנואר. ההמצאה הזאת מיוחסת לו כמי שהמציא את המנוע הזה בכללותו, למרות שלא ברור לגמרי אם הוא האיש שבאמת המציא את המצת החשמלי.
בשנת 1898, לפני 124 שנים, נרשמו במקביל פטנטים שונים למערכת הצתת דלק באמצעות מצתים על-ידי ניקולה טסלה בארה"ב, ובבריטניה על-ידי פרדריק ריצ'רד סימס ועל-ידי חברת בוש. 4 שנים לאחר מכן, בשנת 1902, נרשמה פריצת דרך משמעותית כאשר גוטליב הונולד, מהנדס שעבד עבור חברת בוש, רשם פטנט על מצת במתח גבוה אשר היווה חלק ממערכת הצתה מבוססת מגנטו. שמות ידועים נוספים בתחום המצתים כוללים את אלברט צ'מפיון, האחים לודג', ואת קנלם לי גינס (ממשפחת יצרנית הבירה המפורשמת). כל אחד מאלה תרם שיפורים משלו למצתים ולמערכת ההצתה.
כאמור, הצתת הפלזמה הוצגה במנוע ה-2.5 ליטר מתוצרת טויוטה וככזאת היא נבחנה על-ידי חברת FEV אשר מבצעת מבחנים ובדיקות של מערכות הנעה. חברה זאת פרסמה לאחרונה דו"ח שממנו עולה ש"טכנולוגיית ההצתה של TPS מציעה יתרונות פוטנציאליים משמעותיים לשיפור הבעירה, יעילות המנוע והביצועים"
אנשי TPS מבטיחים שהטכנולוגיה שלהם יכולה להתחבר בקלות לרוב מנועי הבנזין הקיימים ולפעול לצד מערכות וטכניקות יעילות כמו מערכות למחזור גזי פליטה (EGR), הזרקת בנזין ישירה (GDI) ומגוון שיטות הגדשת טורבו.
האם אפשר להאריך את חיי מנוע הבעירה?
בשנים שנותרו למנוע הבעירה יהיה קשה יותר ויותר להשיג השקעות בטכנולוגיות אשר ייעלו את פעולתו ויצמצמו את תצרוכת הדלק, למרות שליצרניות הרכב הוותיקות – שמושקעות עד לצוואר במפעלים לייצור מנועים, יש אינטרס ברור להצלחתן. יש שאמרו שאת מה שלא הושג במשך 160 שנים קצת מאוחר להשיג במעט הזמן שנותר ובכל מקרה מומחים חלוקים בדעותיהם אודות מה היא הדרך הטובה ביותר לעמוד בדרישות זיהום האוויר ותצרוכת הדלק.
ממשל ביידן, באמצעות, הסוכנות להגנת הסביבה, צפויים לפרסם בקרוב דרישות מחמירות חדשות לצריכת דלק ממוצעת תאגידית (CAFE), וזאת כחלק מן הדחיפה של הממשל להגיע ליעד של 50% מכוניות חשמליות מסך המכירות של מכוניות חדשות בשנת 2030.
אחת הדרכים שרבות מיצרניות הרכב אימצו זה מכבר, דרך שנסללה במידה רבה על-ידי טויוטה, היא הנעה היברידית מורכבת, יקרה, כבדה ומסובכת אשר בתנאים אופטימליים מצליחה לחסוך עד כ-30% מתצרוכת הדלק וזיהום האוויר. לטובת ההישג הזה נדרשים, בנוסף למנוע בנזין יעיל, גם מנוע חשמלי נוסף, סוללה, מערכת חשמל מתוחכמת, ומערכת בלימה רגנרטיבית אשר אוספת חלק מן האנרגיה המבוזבזת וממירה אותה לחשמל.
לעומת כל התסבוכת היקרה הזאת – ובהנחה שהנתונים התיאורטיים יתממשו במציאות – הצתת פלזמה משיגה כ-66% מאותו הישג באמצעות מערכת הרבה יותר פשוטה שאפשר להתקין גם במנועים קיימים, כאמור, וגם במנועי בנזין של מערכות היברידיות.
הבעיה היחידה היא שכדי ליהנות מכל הטוב הזה צריך להמתין למערכת מסחרית שתוצע בשוק לא לפני שנת 2026. עם זאת, אנשי החברה טוענים שלאחר שתותקן במכוניות קיימות היא צפויה "לשלם את עצמה" באמצעות חיסכון בדלק בתוך כשנה וחצי.
בשורה תחתונה, אם הצתת פלזמה היא טכנולוגיה ישימה וכלכלית, ואם אפשר יהיה להכניס אותה לייצור סדרתי מספיק מהר, היא תוכל לסייע במידה ניכרת להפחתת תצרוכת הדלק ופליטות מזהמים לא רק של מכוניות חדשות, אלא גם של מאות מיליוני מכוניות שצפויות להתגלגל על כבישי העולם לפחות בשני העשורים הקרובים.
