איזה רוח: הצצה למנהרת הרוח במכון למחקר ביולוגי בנס ציונה

היא משפיעה על מטוסים וספינות, היא מאיצה את התפשטותן של שריפות, היא גורמת לסגירה של כבישים ויכולה לגרום לאובדן של חיי אדם. זו הרוח, שבחיי היומיום אנחנו כמען לא שמים לב אליה, אך ברגע אחד היא יכולה להפוך לגורלית.

עוד כתבות ב"זווית - סוכנות ידיעות למדע ולסביבה "

ים של תחמושת

בעיה שלא נשטפת באסלה

חלון לים התיכון

הרוח היא לכאורה דבר פשוט - תנועה אקראית של "חלקיקי" אוויר בכיוון מסוים - אבל היא מושפעת מתנאים סביבתיים רבים, ולכן היא בלתי צפויה וקשה לחזות אותה ואת השפעתה. בדיוק לשם כך הוקמה בשנת 2015 במכון למחקר ביולוגי בנס ציונה מנהרת הרוח הסביבתית היחידה בישראל, שיודעת לדמות את זרימת הרוח באטמוספירה הנמוכה, ושניתן לבצע בה ניסויים הקשורים בהשפעת הרוח על תחומים רבים בחיינו. מנהרת הרוח הזו נחשפת כאן לראשונה.

להכניס את הרוח למעבדה

"מנהרת הרוח הסביבתית היא מעין 'מעבדה לאטמוספירה', שמאפשרת לדמות תנאים מטאורולוגיים ומצבי קיצון שמתקיימים בטבע", מסבירה ד"ר ירדנה בוחבוט-רביב, מנהלת מנהרת הרוח הסביבתית. "המנהרה בעצם מאפשרת לנו לדמות ולשלוט במאפיינה של הרוח, ולא רק זה - אלא גם לשחזר בתוכה את אותם תנאים מדויקים שוב ושוב, מה שמאפשר לנו לבצע בה מגוון רחב של ניסויים בתנאים מבוקרים. באופן זה, ניתן להגיע לתוצאות סטטיסטיות מדויקות הרבה יותר ממה שהיינו מקבלים בניסוי בשטח - היכן שתנאי האקלים תמיד משתנים".

מנהרת הרוח הסביבתית במכון למחקר ביולוגי בישראל בנס ציונה(צילום: באדיבות המכון למחקר ביולוגי)

מנהרות רוח משמשות ככלי לביצוע ניסויים מגוונים מאוד, שיכולים לבדוק את ההשפעה של הרוח במגוון של מקרים. כך, למשל, מנהרות רוח משמשות לבדיקת פיזור של מזהמים שונים באוויר, כמו פליטת גזים מארובות וממכוניות; להערכות סיכון מפליטת חומרים מסוכנים באזורים ציבוריים; לבדיקת השפעתן של תופעות טבע כמו שלג או סחף; ולסיוע בתכנון עירוני מושכל.

המנהרה שהוקמה במכון למחקר ביולוגי מתפרשת על פני שלוש קומות במבנה ייעודי - מה שהופך אותה למנהרת הרוח הגדולה בישראל. המנהרה עצמה תופסת קומה אחת במבנה, והיא מורכבת ממעין "שרוול" מתכת באורך 14 מטרים, שדרכו מוזרמת הרוח - בהתאם לעוצמה, ללחות ולטמפרטורה הנדרשים בכל ניסוי. אך זוהי רק ה"במה" של המתקן המורכב הזה. מאחורי הקלעים נמצאת מערכת ענקית באורך כולל של 32 מטר בצורת האות הלועזית S, שמתפרשת על פני שאר הקומות במבנה, ובה מיוצרת הרוח בתנאים הנדרשים.

המנהרה מסתיימת בתא גדול שבו מבצעים החוקרים את הבדיקות והניסויים השונים באמצעות ציוד ייחודי וטכנולוגי שרובו אינו קיים במנהרות אחרות בארץ. "גם ברחבי העולם יש מנהרות בודדות בלבד שהן בעלות יכולות דומות", אומרת רביב. "בהמבורג נמצאת מנהרת רוח דומה שהיא בין הגדולות מסוגן בעולם. נעזרנו באנשיה בשלבי הבנייה וההקמה, וגם היום אנחנו עובדים איתם בשיתוף פעולה על ניסויים שונים ונעזרים בהם להתייעצויות מקצועיות".

מודל דגם עירוני לחקר פיזור מזהמים(צילום: באדיבות המכון למחקר ביולוגי)

תכנון עירוני, טורבינות רוח ומזהמים

מנהרות רוח הן לא דבר חדש, והן קיימות בעולם מאז שנות השבעים של המאה שעברה. בעולם קיים מגוון רחב של מנהרות רוח, המעוצבות ומצוידות בהתאם לייעודן. הן נבדלות זו מזו בעיקר בגודלן ובעוצמת הרוח הנושבת דרכן.

"בשנות השבעים התלהבו מהטכנולוגיה החדשה, ונעשה מקובל מאוד לבדוק כל דבר במנהרת רוח", מסבירה רביב. "בשנות השמונים נכנסו המחשבים יותר ויותר, ובהדרגה ביצעו מעבר למודלים ממוחשבים. אך עם השנים, הבינו שגם מודל ממוחשב לא יכול לקחת בחשבון השתנות תמידית של תנאי הסביבה. בניסויים בשטח אנחנו מוגבלים לתנאים שיש באותו רגע - שהם אכן משתנים תמידית. לכן, המנהרות חוזרות להיות פופולריות בשנים האחרונות. עם השתפרות הטכנולוגיה, אנחנו יכולים לבדוק בהן יותר ויותר דברים, כמו גם להיעזר בהן כדי לשפר ולאמת את המודלים הממוחשבים. הבדיקות בשלושת האופנים - בשטח, במודל ממוחשב ובמנהרת רוח - בעצם עוזרות להשלים זו את זו לתחזית, שאחרת קשה ולעתים בלתי אפשרי לקבל".

במנהרת הרוח שבמכון הביולוגי יודעים לבדוק, למשל, כיצד לפרוש בשטח טורבינות רוח באופן מיטבי. בתא הניסויים שבקצה המנהרה ניתן למקם מודלים תלת-ממדיים שמדמים את פני השטח, להציב עליהם טורבינות רוח זעירות ואז להעביר דרכן רוח, באמצעות פריסת הטורבינות בהרכבים שונים ובתנאי רוח שונים, אפשר לבדוק באיזה הרכב ישנו ניצול מרבי של אנרגיית הרוח ביחס לתוואי השטח הייחודי שבו מוצבות הטורבינות. במדינה כמו ישראל, שבה סוגיית הקמה של טורבינות רוח נמצאת מאז ומתמיד במחלוקת, ידע מוקדם שנאסף במנהרה הוא בעל ערך רב.

ניסוי שמתבצע כעת במנהרה עוסק בפיזור מזהמים בסביבה העירונית. "מודלים ממוחשבים מקובלים להתפשטות מזהמים באטמוספירה לוקים בחסר בסביבה העירונית, בגלל מורכבות זרימת הרוח סביב מבנים וצמחייה", מסבירה רביב. "מחקר חדשני שמתנהל היום במנהרה עוסק בשיפור המודלים לפיזור המזהמים באזורים עירוניים מיושבים. זהו פרויקט שמתבצע בשיתוף עם מעבדת הטורבולנציה באוניברסיטת תל אביב, ושהמשמעות שלו היא הגעה למודל ריאליסטי של התפשטות מזהמים בעיר - שיש לו השלכה מידית על הפחתת זיהום האוויר בערים".

בניית תנאים אטמוספריים לחקר זרימת רוח(צילום: באדיבות המכון למחקר ביולוגי)

בנוסף, בימים אלו מפתחים במנהרת הרוח במכון למחקר ביולוגי מודל להערכת הנוחות סביב מבנים, לרבות מבנים גבוהים, בערים בישראל. ההערכה היא כי עד 2030, תתגורר 60 אחוז מאוכלוסיית העולם בערים. להערכה זו השלכות על איכות החיים הדורשת היערכות מראש, במיוחד במדינה צפופה כמו ישראל. המודל שמפותח במנהרה מבוסס על בניית דגם של אזור עירוני ושילוב מידע מטאורולוגי לטובת איתור מצבי קיצון ובחינת פתרונות הנדסיים לאי-נוחות פוטנציאלית בתכנון העירוני. "להערכתנו, מתחייב אישור של מבנים מעל 10 קומות ומבני ציבור במנהרת הרוח הסביבתית בהיבטי בטיחות, סביבה ואחרים", מציין פרופ' שמואל שפירא, מנכ"ל המכון למחקר ביולוגי בישראל.

מוקד ידע שאין כדוגמתו

אחת התכונות שמייחדות את המנהרה היא הגמישות הגבוהה שלה, שמאפשרת טווח רחב מאוד של ניסויים. המנהרה מצוידת במספר טכנולוגיות שונות ומתקדמות למדידת רוח, המבוססות על טכנולוגיית לייזר. חיישן הלייזר מוצב בתוך תא הניסויים, ואוסף נתונים בזמן אמת לגבי עוצמת הרוח בנקודות שונות שנקבעות על ידי עורכי הניסוי. הנתונים מועברים מהחיישנים למחשב, ואז לעיבוד על ידי חוקרי המעבדה. "המערכת מאפשרת לעשות ויזואליזציה של זרימת הרוח ברזולוציה מרחבית גבוהה מאוד (כמילימטר)", מסביר ד"ר אייל פטל, רמ"ח מתמטיקה שימושית במכון למחקר ביולוגי בישראל. "זוהי מערכת מדידה פאסיבית, שלא מפריעה לרוח הנושבת, וכך מאפשרת מדידה אמינה יותר".

במקביל למערכות הללו, מתמחים במנהרת הרוח במכון גם במדידת ריכוז של גזים. "מדובר במערכת המשמשת למדידות פליטת גזים מבוכנות של מנועי רכב, שהותאמה לניסויים במנהרת הרוח במכון". מסביר פטל. "זהו מכשיר שאין כדוגמתו בארץ. כל מערכת ומכשיר בתחומם תורמים מידע ייחודי ויחדיו מאפשרים להרכיב תמונה רבת ממדים של זרימת הרוח, ועוזרים לענות באופן מדויק יחסית לשאלות שלא ניתן היה לתת להם מענה באמצעים אחרים".

המנהרה היא כלי הטומן בחובו פוטנציאל לצמיחה מחקרית עצומה, גם לצורכי האקדמיה וגם לשימושים מעשיים בשטח, הנתפסים בכל מדינה מתועשת כמנוף לצמיחה כלכלית. "כיוון שמדובר כיום במנהרת רוח ייחודית בארץ וכמוה קיימות רק בודדות בעולם, אנחנו מציעים גם לאוניברסיטאות, למכוני מחקר ולחברות פרטיות להשתמש במנהרה ולבצע בה ניסויים על פי צורכיהם", אומר פרופ' שפירא. "זאת על מנת לבדוק שימושים שלא תמיד ניתן לבדוק באמצעות ניסויי שטח רגילים ו/או מודלים ממוחשבים, או במטרה להגיע להגיע לתוצאות אמינות יותר. המטרה שלנו היא לעודד, באמצעות המנהרה, את המחקר בבחינת היבטים סביבתיים לרבות בטיחות ותכנון עירוני ולאפשר התפתחות של שטחי מחקר חדשים ושונים בארץ ובכלל".

הכתבה הוכנה על ידי "זווית - סוכנות ידיעות למדע ולסביבה ".