התפלה – ננו רובוטים ינקו את מי הים

כשאומרים לכם את המילה "רובוט", על מה אתם חושבים? רובנו בוודאי מדמיינים דמות מתכת מבריקה, רבת עוצמה, שביכולתה להניף מכוניות או לקפל מוטות פלדה עבים בקלות מפחידה. אבל בשנים האחרונות מתגלה לנו שרובוטים הם מכשירים מגוונים למדי: יש חזקים ויש חכמים במיוחד, יש גדולים מאוד ויש קטנטנים – בגודל של אלפית שערה. מה רובוט קטן כל כך כבר יכול לעשות? להיצמד למולקולות בודדות ו"להניף" אותן מצד אחד של מכל לצדו האחר כדי להתפיל מי שתייה.

אולי הסצנה הזאת נשמעת לכם כאילו היא לקוחה מסרט מדע בדיוני, אבל למעשה היא מתרחשת כבר בימינו, בממלכת הננו-רובוטים של הסטארט אפ הישראלי N.W.P.T – החברה שמפתחת שיטת התפלה יוצאת דופן, שמשתמשת בננו-רובוטים שדולים מלחים מהמים באופן שלא מוציא מהם חומרים שחיוניים לנו.

מלח טוב לבריאות?

כמעט כל ישראלי יודע שאנחנו טובים בהתפלה: מדינתנו הקטנה מובילה בטכנולוגיות ויכולות התפלה, ומשתמשת בחמישה מתקנים שפרוסים לאורך הים התיכון – שמפיקים מעל ל-600 מיליון מטר מעוקב של מים מותפלים, שמהווים כ-75 אחוז מצריכת מי השתייה שלנו.

עם הנתונים האלה, ייתכן שאתם שואלים את עצמכם – מה רע באופן שבו אנחנו מתפילים מים כיום? אז מסתבר שהשיטה שבה נעשה שימוש במפעלים הללו, האוסמוזה ההפוכה (RO) – שעושה שימוש במערכת ממברנות מסננות ומשאבות לחץ גבוה שדוחפות מים דרכן כדי להוציא כמעט 100 אחוז מהמלחים מתוך המים – היא בעייתית מכמה סיבות עיקריות.

ראשית, מערכת המשאבות המדוברת דורשת אנרגיה רבה כדי לפעול: כמות החשמל שנצרכת כיום בתהליכי ההתפלה שלנו עומדת על כ-3.5 קילוואט-שעה (קוט"ש) עבור כל מטר מעוקב של מים. לשם המחשה, ב-2015, כ-4 אחוזים מכלל החשמל שהופק בישראל שימש לצרכי התפלה. מכיוון שמדובר בחשמל שמקורו בעיקר בשריפת דלקי מאובנים (גז טבעי) – המחיר הסביבתי שאנחנו משלמים על ההתפלות האלה הוא כבד למדי.

החיסרון השני של השיטה הנוכחית נעוץ בדיוק בהצלחתה הגדולה. מה זאת אומרת? האוסמוזה ההפוכה היא מצטיינת בה"א הידיעה בכל מה שקשור להוצאת המלחים. אבל, אנחנו לא זקוקים להצטיינות המרבית הזאת, מכיוון שחלק מהמלחים הללו הם דווקא חשובים עבורנו. כן, מלח הוא לא רק התבלין הלבן שאנחנו מפזרים בנדיבות בעת ההתאהבות: בכימיה הכינוי "מלח" ניתן לכל חומר שמורכב מיונים בעלי מטען חשמלי חיובי, שקשורים ליונים בעלי מטען חשמלי שלילי – כך שהמלחים שנמצאים במי ים כוללים גם חומרים כמו כלור, סולפט ומגנזיום, שחלקם הם חיוניים עבור בריאותנו.

ואכן, בעשור האחרון הלכה והתפתחה המודעות במחקר לחסרונות הבריאותיים של צריכת מים מותפלים נקיים לחלוטין ממגנזיום. מחקרים שונים הצביעו על כך שמחסור במגנזיום עלול לגרום לתסמינים של עייפות, חוסר תאבון, בחילה והקאות, ובמקרים חמורים לעורר התכווצויות שרירים, להביא להפרעות במצב הרוח ובריכוז ולהגביר את הסיכון למחלות לב, לסוכרת וייתכן שגם לסרטן המעי הגס.

להילחם במולקולות עם מולקולות

ירון וירצר, מייסד שותף בסטארט אפ N.W.P.T, מספר שהמניע להקמתו הייתה כתבה בתקשורת על הנזקים הבריאותיים שלהם גורמים המים המותפלים בישראל. לפיכך, הרעיון הראשוני של החברה היה למצוא דרך להוציא רק את המלח המזיק ממי הים. "חיפשתי כל מיני מחקרים בנושא ובסופו של דבר הגעתי למסקנה שהפתרון צריך להיות ברמה המולקולרית של הננו-טכנולוגיה", אומר וירצר. כולנו יודעים מהי "טכנולוגיה", אבל מהו "ננו"? ננומטר אחד שווה למיליארדית המטר – גודלה של מולקולה בודדת; לשם השוואה, רוחב שערה אנושית הוא 100-80 אלף ננומטר. כלומר, ננו-טכנולוגיה כוללת פיתוחים בסדרי גודל קטנטנים אלה.

כשהוא מצויד ברעיון לננו-רובוט שנמצא בתוך מתקן ייעודי שמכיל אלקטרו-מגנט (מגנט שפועל באמצעות זרם חשמלי) – וירצר הלך לחפש שותפים למיזם, שידעו ליצור מציאות מהפנטזיה. אחרי פגישות רבות עם מומחים שונים שטענו שהרעיון שלו שקול למדע בדיוני – וירצר הגיע לד"ר ולדימיר קוגן, שאומנם שינה את העיצוב המקורי של הפיתוח, אך גם הצליח ליצור את הננו-רובוט המיוחל בגודל של כ-80 ננומטר. המבנה הסופי, שעליו החברה הוציאה פטנט – כולל יחידה לוכדת שדומה לחישוק ויודעת לתפוס מולקולות נתרן, שיחד עם הכלור מהווה כ-90 אחוז מהמלחים במי הים; זאת אומרת, מדובר בסוג של מלח שכדאי לנו מאוד לדעת איך להוציא אותו מהמים ביעילות מרבית.

לדברי וירצר, אומנם בעולם כבר קיימים ננו-רובוטים דומים שיודעים ללכוד מולקולות נתרן בודדות – אבל כאן מדובר בפיתוח עם אלמנט ייחודי: המנגנון שמאפשר לננו-רובוטים לשחרר (ו"להוציא החוצה") את החומרים השונים שהם תופסים, שעושה שימוש בתאורת אולטרה-סגול. "אחרי שנים של ניסוי וטעייה, ביולי 2020 הצלחנו לראשונה ליצור ננו-רובוט שתופס נתרן וגם משחרר אותו", הוא אומר. "כשמאירים עליו באור אולטרה-סגול – הוא משחרר את הנתרן, וכשמפסיקים להאיר – הוא תופס אותו". התהליך מהיר מאוד (בסדר גודל של שניות), וגם יכול לעבוד לנצח, ללא ירידה ביעילות.

בנוסף ליתרון הבריאותי שבהשארת מגנזיום במים המותפלים, וירצר טוען שבעתיד שיטת ההתפלה של החברה תוכל לחסוך באנרגיה ולמנוע זיהום: לדבריו, השיטה עשויה לחסוך כ-90 אחוז מהאנרגיה שנדרשת כיום להפעלת המשאבות של שיטת האוסמוזה ההפוכה, ותמנע את זיהום הים שנוצר משימוש בכימיקלים שמנקים את הממברנות (בשיטה הנוכחית) ואת הזיהום שנוצר כתוצאה מהשלכת מסנני הממברנה (שתוחלת החיים שלהן קצרה יחסית). בנוסף, לדברי וירצר השיטה המדוברת עשויה לצמצם מאוד את הוצאות כוח האדם על תחזוקה – ולבסוף להוביל לחיסכון של כ-80 אחוז מעלויות ההתפלה.

זאת ועוד, בעוד שיעילות שיטת האוסמוזה ההפוכה היא של עד 50 אחוז (50 האחוז הנוספים הם תמלחת – מים שבהם מרוכזים כל המלחים שהוצאו בתהליך) – וירצר טוען שבשיטה החדשה אפשר להגיע ליעילות של כ-80 אחוז ייצור מים מותפלים ממי ים נשאבים.

הלו, כמה לקילו ננו-רובוט?

המרכיב האחרון בננו-רובוט, שכאמור, גודלו הכולל הוא כאלפית שערה, הוא ננו-חלקיק מגנטי – מעין מגנט קטן שמאפשר לשלוט במיקום של הרובוטים הקטנטנים ולרכז אותם בנקודה אחת. כדי להבין את חשיבותו של החלק הזה, צריך לבחון את מנגנון אב-הטיפוס של מתקן ההתפלה שבנתה החברה במעבדה.

בשלב זה, מדובר במכל שמכיל 30 גרם ננו-רובוטים, שאליו מוזרמים 2 ליטרים של מים מליחים (בעלי ריכוז נתרן מופחת); בעזרת ערבוב שלהם במכל, הננו-רובוטים מגיעים למולקולות הנתרן במהירות. לאחר מכן, הפעלה של מגנט בתחתית המכל מרכזת את כל הננו-רובוטים (יחד עם הנתרן שהם לכדו) בתחתיתו, כך שבחלק העליון נותרים מים עם ריכוז מלח נמוך – המים שנשאבים החוצה, ובעתיד (כשהניסוי יצא מהמעבדה) אמורים להפוך למים מתוקים. לאחר השאיבה הזאת, אור אולטרה-סגול מאיר על הננו-רובוטים, והם משחררים את הנתרן שלכדו – למים שנותרו בתחתית המכל. בשלב האחרון, המים המלוחים נשאבים מתחתית המכל, המגנט משחרר את הננו-רובוטים חזרה – והתהליך, שאורך דקות ספורות בלבד, יכול להתחיל שוב.

פרסום

בהדגמה במעבדה החברה הצליחה להוריד כ-10 אחוזים מהמוליכות החשמלית (דרך למדוד את כמות המלחים שנמצאים במים) של 2 ליטרים של מים מלוחים – נתון שלפי החברה מוכיח שהננו-רובוטים הצליחו במשימתם. לטענתם, הדבר שמגביל את יכולת ההתפלה של השיטה הוא כמות הננו-רובוטים שבהם הם השתמשו. לדבריהם, האב-טיפוס מורכב רק מ-30 גרם ננו-רובוטים מכיוון שזוהי הכמות שאותה הם הצליחו לייצר עד כה, בשל יוקר תהליך הייצור ומשך הזמן שהוא דורש.

רובוטים קטנים, יתרונות גדולים?

אז, מדע בדיוני או לא מדע בדיוני? "אחרי שהחברה תבנה פיילוט גדול יותר, תוך שימוש במי ים – אפשר יהיה לבחון את יעילות הפיתוח", אומר ד"ר עדי לוי, ראש התוכנית לתואר שני בקיימות במרחב העירוני והכפרי במכללה האקדמית אחוה וחבר הוועד המנהל של האגודה הישראלית לאקולוגיה ולמדעי הסביבה. "יש שאלות רבות שאפשר לענות עליהן רק כאשר לוקחים מתקן כזה מהמעבדה לשטח". למשל, לדבריו, בדיקות שצריכות להיעשות בנוגע לעלות הייצור של הננו-רובוטים ולעלות התפעול של המערכת.

בנוסף, בהדגמה שביצעה החברה הננו-רובוטים סילקו רק נתרן (ולא מלחים אחרים) – כך שלפי לוי, צריך לבדוק ולראות האם התהליך המדובר עובד על כל המלחים באופן שישאיר במים חלק מהמגנזיום – שהדאגה להימצאותו שם היא שהובילה ללידת הפיתוח מלכתחילה. בנוסף, שלא כמו בשיטת האוסמוזה ההפוכה – המערכת החדשה לא מטפלת בחומרים אחרים שנמצאים במים, כמו חיידקים, וירוסים ופטריות.

יחד עם זאת, לוי מסכים שאם המערכת תעבוד עם כמויות מים גדולות – הפיתוח עשוי להוביל לחיסכון אנרגטי וכלכלי משמעותי. "צרכניות האנרגיה הגדולות ביותר בהתפלה בשיטת האוסמוזה ההפוכה הן משאבות הלחץ הגבוה – החלק בתהליך ההתפלה שהפיתוח נועד להחליף", הוא מסביר.

עם זאת, לדברי לוי, החלפת מתקני ההתפלה הגדולים והמתועשים היא מהלך שדורש מעבר מעל למשוכות רבות ומגוונות ועל כן מדובר במצב שעשוי להתרחש רק בעתיד הרחוק, אם בכלל. לפיכך, הוא מציע לראות בשיטה החדשה אפשרות לפתרון לאזורים נידחים ועניים אנרגטית. "המערכת הפשוטה-יחסית הזאת אולי תוכל לתת מענה להמוני אנשים שעדיין אין להם גישה למי שתייה נקיים ומתוקים, אבל מוקפים במים מלוחים", הוא אומר.

ואכן, החלום של וירצר לא עוצר בגבולות ישראל. "בסופו של דבר המטרה של החברה היא לייצר הרבה יחידות של המערכת לאורך חופים בעולם, גם במקומות כמו מרוקו, איחוד האמירויות וסעודיה – והשאיפה שלנו היא שכך אפשר יהיה להפוך מדבריות לאזורים ירוקים", הוא אומר. "בימים אלה אנחנו נמצאים בתהליכי גיוס כספים כדי שנוכל לייצר כמות גדולה של ננו-רובוטים, לפתח אב-טיפוס שידע להתפיל קוב מים וגם ננו-רובוטים נוספים שידעו לתפוס מלחים אחרים כמו בורון, מגנזיום וסידן", הוא מסכם.