חוקרים משתמשים בסימולציה בתוכנת ®COMSOL Multiphysics על מנת לשפר את כיולם של חיישני טמפרטורה

תפקידם של המדחומים בעולמנו התרחב עם השנים ממודדי טמפרטורה שכיחים באוכלוסיה, לעבר שימוש בתהליכים וטכנולוגיות מתוחכמות ברפואה ובתעשיה. כמו כל מכשיר מדידה, הם מוכרחים להיות מכויילים לפי סולם הטמפרטורה הבינלאומי של 1990 (90-ITS).

תהליך הכיול
סולם 90-ITS מבוסס על נקודות קבועות בהן מתכת טהורה משנה את דרגתה ע”י הינמסות או קיפאון. במהלך השינוי הנל, חום נקלט או משתחרר מהמתכת ללא שינוי הטמפרטורה שלה. בנקודה קבועה מד החום בו מתרחש התהליך מראה את רמת הטמפרטורה שיכולה לשמש כהמלצה מעשית.

סולם ה 90-ITS מוכר למשתמשים במדחומי פלטינה התנגדותיים סטנדרטיים. אלו מכשירים מאוד רגישים אשר מסוגלים למדוד טמפרטורות ברמת דיוק של מיקרוקלווין. מכשיר כזה מתכייל ע”י תא בעל טמפרטורה בלתי משתנה שמשמשת לכיול. זהו כלי שגרתי העשוי גרפיט, שהוא למעשה כלי קיבול אליו נכנס המדחום. בתוך הכלי ישנו חומר בעל רמת טיהור גבוהה מאוד, לרוב 99.9999%.
מקור הנביעה המרכזי מאפשר למדחום להיכנס כך שאלמנט הרגש בתחתית שלו שוקע לגמרי בתוך המתכת המשמשת לכיול. בשלב זה כלי הקיבול ממוקם בתוך כבשן על מנת לאפשר הינמסות וקיפאון מבוקרים של המתכת.
למרות המכשיר בעל הביצועים הגבוהים, אי הודאות של טמפרטורה במהלך הכיול עדיין יכולה להיות ברמה של 1 מילקלווין. לטובת הבנה מעמיקה יותר של ההתנהגות המיקרוסקופית, ג’ונתן פירס, ראש המחלקה למדידת חום בספריה הפיזיקלית הלאומית של אנגליה, פנה לתוכנת ®COMSOL Multiphysics.

בניית סימולציה של חוסר יציבות מורפולוגית
הקפאה או הפיכה למוצק הם תהליכים שהרבה פחות מטופלים ביחס לתהליך הינמסות. לדוגמא, חלק מהאזורים יתמצקו לפני אחרים וכתוצאה מכך משפיעים על טמפרטורת הקיפאון. הסימולציה משתמשת בשיטת שדה השלבים אשר מוטמעת ב- ®COMSOL Multiphysics, ומספקת לחוקרים תובנות מרתקות.

תחת תנאים מסוימים הממשק הנוזלי-מוצק אינו שטוח כלל. כמו בתהליכי קיפאון, נראים לעין גלים על פני השטח. אלו הופכים לתאים אשר נדחפים כלפי חוץ על ידי הקצוות שלהם והופכים לבעלי טמפרטורה נמוכה בהרבה ביחס לשורשים שלהם.
“המטרה העיקרית שלנו הייתה לבצע סימולציה של התנהגות קיפאון ע”י חקירת ההשפעה של מסגרת כבשן בתהליך, והבנה של מה בדיוק מודד החיישן בו נעשה שימוש. המודל עליו עבדנו בסימולציה בתוכנת ®COMSOL Multiphysics העניק לנו אמצעים מעולים להבנת ההשפעה של חום וזרימה בהתפתחות ממשק נוזלי-מוצק”.

דרך סימולציה ניתן לזהות התנהגות ספציפית במערכת אשר קשה לזהות בצורה של ניסוי, ובנוסף הסימולציה תורמת לאי הודאות הכללית של תהליך המדידה. המידע שנאסף דרך הסימולציה ניתן להשתמש בו על מנת לעצב מחדש מכשיר בעל דיוק אולטימטיבי במדידות.

הסיפור נלקח ממגזין 2013 ®COMSOL

מדידה ישירה של טמפרטורה בהתקנים פלסמונים

עבודת מחקר של בוריס דסיאטוב – דוקטורנט בפיזיקה יישומית באוניברסיטה העברית, בהנחיית פרופ. אוריאל לוי

מטרת המחקר היא ללמוד ולחקור יצירה מבוקרת של מקורות חום בסקלה ננומטרית בהתקנים מתכתיים ע”י שימוש באנרגיה אופטית.
בוריס מספר מדוע בחר לעבוד עם תוכנת ®COMSOL Multiphysics בעת הכנת עבודת המחקר שלו, וכיצד התוכנה תרמה לו והייתה לו לעזר רב:

“מצאתי כי השילוב של תוכנת ®COMSOL ביחד עם תוכנת MATLAB מאפשרת ביצוע אופטימיזציה ,עבודה איטרטיבית וביצוע התאמה בזמן אמת בין תוצאות המדידה שמתקבלות בניסוי למודל התיאורטי”.

“לתוכנה יש מאגר פנימי גדול של חומרים עם ניתוחים פיזיקליים מובנים (צפיפות החומר, מקדם שבירה אופטי, מקדם התפשטות החום וכן הלאה)”

“לתוכנת ®COMSOL יש יכולת שילוב בין מודלים פיזיקלים שונים באותה סימולציה. (למעשה בלי היכולת הזאת לא יכולתי לבצע את המחקר הנ”ל). אני לא מכיר תוכנה אחרת שמאפשרת לשלב מודלים שונים ולקבל פתרון לבעיה המשולבת”.

מהלך המחקר

בעשור אחרון התגלה סיליקון נאנופוטוניקס כפלטפורמה העיקרית במזעור רכיבים ומערכות אופטיות. מימוש של רכיבים נאנופוטונים בעזרת טכנולוגית CMOS מאפשר שילוב בין תפקודיות אופטית ואלקטרונית על אותו שבב סיליקון. הניסיון והיכולת שצברה טכנולוגיית הסיליקון בשנים האחרונות סוללת דרך לייצור זול ואפקטיבי של רכיבי פוטונים. אך מזעור של רכבים אופטיים כמו: מוליכי גל, עדשות ועוד העשויים מחומרים דיאלקטים (למשל סיליקון וזכוכית) מוגבל ע”י תופעה פיזיקאלית שנקראת גבול דיפרקציה. למעשה גבול דיפרקציה קובע גודל מינימאלי של נקודה שעליה ניתן לפקס אור, וגודל זה תלוי באורך הגל האופטי ובסוג החומר שממנו בנוי ההתקן האופטי (מקדם שבירה של החומר).

בעשור אחרון התגלה סיליקון נאנופוטוניקס כפלטפורמה העיקרית במזעור רכיבים ומערכות אופטיות. מימוש של רכיבים נאנופוטונים בעזרת טכנולוגית CMOS מאפשר שילוב בין תפקודיות אופטית ואלקטרונית על אותו שבב סיליקון. הניסיון והיכולת שצברה טכנולוגיית הסיליקון בשנים האחרונות סוללת דרך לייצור זול ואפקטיבי של רכיבי פוטונים. אך מזעור של רכבים אופטיים כמו: מוליכי גל, עדשות ועוד העשויים מחומרים דיאלקטים (למשל סיליקון וזכוכית) מוגבל ע”י תופעה פיזיקאלית שנקראת גבול דיפרקציה. למעשה גבול דיפרקציה קובע גודל מינימאלי של נקודה שעליה ניתן לפקס אור, וגודל זה תלוי באורך הגל האופטי ובסוג החומר שממנו בנוי ההתקן האופטי (מקדם שבירה של החומר).
הצטרפו לפייסבוק של נומריקל
אחת השיטות להקטנת הממדים של ההתקנים האופטיים היא שימוש בגלי שטח שנקראים פלסמונים. פלסמונים-פולריטונים משטחיים הם גלים משטחיים המוגבלים לתנועה על הגבול שבין חומר מתכתי וחומר מבודד וניתנים לעירור ע”י קרינה אלקטרומגנטית בעלת קיטוב ניצב לשדה מגנטי. לגלים אלו יש אורך גל קצר יותר מאשר לגלים הנעים בריק וכן תכונות מעניינות נוספות שהובילו להשקעה מחקרית עצומה בתחום זה בעשור האחרון. השימוש בפלסמוני שטח ליישומים של מיקוד הקרינה במבנים ננו-מתכתיים הודגם במספר צורות ע”י עדשה פלסמונית, חרוטים ומחטים מתכתיים.
עם כל היתרונות של הפלסמונים יש גם חיסרון אחד גדול – העיבודים. כאשר אור מבצע אינטראקציה עם המתכת הוא נבלע במתכת וכתוצאה מקבלים הפסדים אוהמים. הפסדים אלה גורמים לחימום מקומי של המתכת ויכולים לשנות את ההתנהגות של ההתקן. החימום הנ”ל מתרחש בסקלה ננומטרית ויכול להיות מאוד שימושי בתהליכים שדורשים חימום מקומי. למשל חברה סיגייט (SEAGATE) פיתחה לאחרונה דיסק קשיח למחשב בעל נפח אחסון מוגדל ע”י שימוש במחממים מקומיים (Heat-assisted magnetic recording).
בפרויקט המחקר שלנו ביצענו חקר נומרי (בעזרת סימולציות מולטיפיזיקליות בתוכנת ®COMSOL Multiphysics) של התקן פלסמוני ליצירת מקורות חום קטנים על שבב סיליקון. המחקר כלל סימולציות אופטיות למציאת פרמטרים אופטימליים של צימוד והולכה של אנרגיה אופטית בתוך התקן (RF Module). לאחר מכן בוצע חקר של היווצרות והולכה של חום בהתקן (Heat Transfer Module). בנוסף בנינו את ההתקן ומדדנו בצורה ישירה את הטמפרטורה של ההתקן בעזרת שיטה של מדידת טמפרטורה בשדה קרוב. התקבלה התאמה טובה מאוד בין התוצאות של הסימולציות ב- ®COMSOL לתוצאות המדודות.
ההתקן בנוי ממוליך גל מסיליקון בעל חתך 0.25X1 מיקרומטר על מצע זכוכית שמוצמד לטיפ העשוי גם מסיליקון המוקף במתכת (זהב) – ראה איור 1. אנרגיה אופטית באורך גל של 1.55 מיקרון מוצמדת מלייזר חיצוני אל תוך מוליך הגל, מתקדמת בתוך ההתקן אל עבר הקצה של הטיפ ו”נדחסת” (מתרכזת) ע”י המתכת לנק’ מאוד קטנה (50 ננומטר). כתוצאה מכך, חלק מהאנרגיה האופטית הופכת לחום בתוך המתכת ונוצר מקור חום בעל שטח חתך מאוד קטן.

לצורך ביצוע סימולציה מולטיפיזיקלית השתמשנו בשני מודלים פיזיקליים עם תנאי שפה והתחלה שמתאימים לכל מודל בנפרד. מודל ראשון – התקדמות גלים אלקטרומגנטיים בתווך (RF Module) . במודל זה כל חומר במרחב מתואר ע”י מקדם השבירה היחסי שלו ומקור האנרגיה מוגדר בתור INPUT PORT. במקרה שלנו אור באורך גל אינפרה אדום הוכנס למוליך גל מסיליקון בעל “שפיץ” שמוקף בזהב. לאחר ביצוע הסימולציה מצאנו התפלגות אנרגיה אלקטרומגנטית בתוך ההתקן ולמדנו על השפעת פרמטרים גיאומטריים שונים על יכולת פיקוס של אנרגיה אופטית בקצה של השפיץ.
באיור 2א. מוצגת תוצאת סימולציה אלקטרו-אופטית בהצגה תלת ממדית. ניתן לראות בבירור את הפיקוס של הקרינה האופטית בקצה של הטיפ. התגברות האנרגיה אופטית בקצה של הטיפ שהתקבלה בסימולציה הינה פי 50. לאחר חישוב של שדה אלקטרומגנטי חישבנו את היווצרות החום במערכת כתוצאה מבליעה במתכת. באיור 2ב. מוצגת תוצאת החישוב של היווצרות החום במערכת. גודל של מקור חום אשר נוצר במערכת הינו מסדר גודל של עשרות ננומטרים.

בשלב שני של המחקר חקרנו דינמיקה של התפשטות החום שנוצר במערכת. לצורך כך השתמשנו בתוצאות של סימולציה אלקטרו-אופטית כתנאי התחלה (Heat Transfer Module) . לצורך כך הגדרנו את התכונות התרמיות של כל חומר במרחב ועבור תנאי התחלה (בזמן אפס) לקחנו את פילוג החום שמצאנו קודם. בתור תנאי שפה רחוק מההתקן הגדרנו שהטמפרטורה תגיע לטמפ’ החדר. ע”י פתרון של משאוות החום (בעזרת ®COMSOL) מצאנו את התפשטות החום במערכת בתנאי של מצב עמיד. תוצאות הסימולציה הראו שבהכנסת 10mW של אנרגיה אופטית למוליך גל ניתן להגיע להפרש בטמפ’ (בין הדגם והסביבה) של כ- 15 מעלות. באיור 3 מוצגת תוצאת סימולציה של התפשטות החום בהתקן בהצגה דו-ממדית.

לאחר חקירה נומרית שנעשתה בעזרת ®COMSOL ומציאת פרמטרים אופטימליים, בנינו את ההתקן בעזרת כלים שונים של פבריקציה ננומטרית, ומדדנו את התפשטות החום בהתקן בעזרת מיקרוסקופ תרמי סורק (Scanning Thermal Microscopy) – איור 4. התקבלה התאמה טובה מאוד, גם איכותית וגם כמותית, בין תוצאות המדידה לתוצאות הסימולציה ב- ®COMSOL.

COMSOL Multiphysics® באשכולות מחשבים בפיתוח מערכות קירור ידידותיות לסביבה

המגמה העולמית הפופולארית ביותר בתקופה זו בה אנו חיים, כולם יודעים כמובן, היא נושא איכות הסביבה. בייחוד מדובר על הסביבה הירוקה בהקשר של פליטת גזי חממה ושאר מזהמים כתוצאה מיצירת אנרגיה, ותנועות רבות ברחבי העולם פועלות במטרה לצמצם זאת בתעשיות הגדולות. אחת המשפיעות ביותר בתחום היא תעשיית המזון אשר צריכת האנרגיה בה אדירה, והיא כוללת תובלה של מזון במשאיות, ומהווה 20% מפליטת הגזים בעולם.
משאיות הקירור שמעבירות את המזון פועלות על מנועי דיזל ויחידות קירור, ואלו פולטים גזי חממה המהווים כ- 40% מסך פליטת הגזים של המנוע. לאחרונה נעשתה רגולציה מחמירה בנוגע לצריכת אנרגיה ופליטות גז, מה שמביא ללחץ גדול בתעשיית המזון ובמיוחד על סקטור הובלת המזון, לצמצום פליטות הגזים שמזהמים את הסביבה. הדבר יצריך פיתוח של מערכות קירור אשר נסמכות על טכנולוגיות אנרגיה נקייה ואשר יהיו שונות ביסוד ממערכות הקירור הרגילות שפועלות על מנועי דיזל סטנדרטיים.

חברת Sunwell Technologies Inc. פיתחה יחידות קירור אשר פועלות אך ורק על תרמו-סוללות Deepchill™, מוצר קירור ייחודי שהחברה פיתחה. סוללות אלו ניתנות לטעינה ובנויות לשמור על טמפרטורת יחידת הקירור הרצויה למשך 48 שעות. סוללות ה Deepchill מיוצרות ומאוכסנות במתקנים יעילים מאוד אשר פועלים על חשמל שלאחר שעות השיא, ועקב כך יש להן השפעה מינימלית על הסביבה. לטובת הפחתה נוספת של הפגיעה בסביבה, החשמל יכול להיות מסופק למתקנים אלה בעזרת משאבים מתחדשים

סימולציות חום וזורמים

צוות של חוקרים ב UMass Dartmouth השתמשו ב- ®COMSOL Multiphysics על מנת לספק את התמיכה בסימולציה לחברת Sunwell במאמציה לפתח את טכנולוגיית ה- תרמו-סוללות Deepchill™. סימולציות ממוחשבות יעילות מאוד מבחינת זמן, מחיר ופרקטיות בניסויים מסוג זה, שקשה לבצע אותם בשטח בשל גודלן של מערכות הקירור, ומצריכים עלויות וזמן סיום ארוך, במיוחד בשלבי התכנון הראשונים.

נעשה שימוש בתוכנת ®COMSOL Multiphysics בביצוע סימולציות של מעבר חום ודינמיקת זורמים במערכות הקירור. השימוש ב- ®COMSOL Multiphysics באשכולות המחשבים בעלי הביצועים הגבוהים של UMass Dartmouth איפשר את השימוש במודלים תלת מימדיים מרושתים ברמה גבוהה וכן את זמני הסיום המצוינים, אשר בסופו של דבר יגביר את הדיוק ואת הבנת הממצאים.

המודלים של ®COMSOL Multiphysics אשר נעים בין מודל דו מימדי אקסי-סימטרי למודל תלת מימדי מלא, מנוצלים לטובת חקר קריטריונים ספציפיים בתכנון, כולל מטען החום במערכת, טמפרטורה ממוצעת ומקסימלית של מרחבים מסוימים, ביצועי איזולציה וזרימת חום טבעית, כולם מדידים הן בעזרת אמצעי הבדיקה במודל בזמן תהליך הפתרון, ו/או לאחר מכן באזור הפתרונות.
סימולציות בקנה מידה רחב עם רישותים נוחים, ולכן דרישות זיכרון גבוה, מקושרים לאשכולות המחשבים בעלי הביצועים הגבוהים של UMass Dartmouth, היכן שנמצא פותר הבעיות של ®COMSOL – ה MUMPS. אשכול מיחשוב בביצועים גבוהים טיפוסי מנצל בין 1 ל 3 צמתים עם שמונה ליבות מעבד כל אחד, ומסיים בחצי יום עד שבוע, תלוי במורכבות הפיזיקות, למשל צימוד דינמיקות זרימה ומעבר חום, ואורך זמן הסימולציה, שיכול להימשך עד 48 שעות.

הסיפור נלקח ממגזין 2012 ®COMSOL

חוקרי קונצרן פיאט משתמשים ב- ®COMSOL Multiphysics כדי לפתח צלעות קירור יעילות לסוללות ליתיום – יון עבור רכבים חשמליים והיברידיים

בהתחשב במחזור הפיתוח הארוך של כלי רכב, יצרני רכבים חייבים לתכנן את הדגמים הבאים שלהם הרבה זמן מראש. וכאשר הרגולציות הולכות וגדלות וכך גם מחירי הדלק בעולם, ניתן לצפות כי מכוניות חשמליות והיברידיות יתפסו יותר נתח שוק ויהיה אטרקטיביות יותר.

במרכז המחקר של פיאט, צוות הפיתוח עובד על פיתוחם של רכבים חשמליים והיברידיים הפועלים על סוללות ליתיום – יון. לפיאט ישנם מספר משאיות קלות שנוסעות על חשמל, והיישום הבא הינו גרסא חשמלית של דגם פיאט 500, אשר מיועד לשוק האמריקאי.
פיאט לא אחראית על ייצור תאי סוללות הליתיום, אך כדי להפעיל רכב היא צריכה לדחוס לפחות 100 כאלה לתוך אריזה אחת שצורכת 350 וולט. בנוסף היא חייבת לספק קירור מספיק בעוד שהיא משאירה את מארזי הסוללה קטנים וקלים ככל האפשר. כיוון שתאי הסוללות מקושרים אחד לשני, אם תא אחד לא פועל כהלכה עקב בעיות חום, יש לכך השפעה שלילית על כל החבילה.

חשוב מאוד שמקסימום הטמפרטורה בין תאי הסוללות לא יעלה על 5 מעלות צלסיוס. מעבר לכך, אם טמפרטורת החבילה הכללית נמוכה מדיי, זה מגביל את הטעינה שניתן לקבל מהסוללה. אם היא גבוהה מדיי, ישנה כמובן הסכנה של התחממות יתר, עשן, ובמקרה הגרוע שריפה.

בסוללות מסוג זה, חום מופק הן ע”י חימום ג’ול והן ע”י תגובות כימיות, אותם קובעים מהביטוי שתלוי בצפיפות הנוכחית. במהלך התכנון, מפתחי פיאט מעדיפים קירור ע”י זרימת אוויר, ומשתמשים בתוכנת ®COMSOL Multiphysics כדי לחקור את תפוצת השטח.
המודל של פיאט ב- ®COMSOL Multiphysics מחלק כל משטח של תא סוללה לתשעה אזורים, אשר מתאימים לצימודים התרמיים על התא עצמו. החוקרים בודקים את תפוצת הטמפרטורה בשיעורי פריקה וטעינה שונים ומוודאים שהמודל קונסיסטנטי עם המציאות, כפי שנמדד ע”י צימודים תרמיים ומצלמות אינפרא אדום.
החוקרים מצאו כי התוצאות היו בטווח מדידות של 1 מעלות צלסיוס. עם אינפורמציה כזו וביטחון במודל של ®COMSOL, החוקרים יכולים למצוא נקודות חמות על תא הסוללה וכן לחקור את תפוצת הטמפרטורה הפנימית שלו. דבר זה מספק אינפורמציה חיונית אשר לא ניתן להשיג בדרכים אחרות בשל הקושי לקבוע צימודים תרמיים במארזי סוללות וקבלת תוצאות אמינות.

הסיפור נלקח ממגזין 2012 ®COMSOL

®COMSOL Multiphysics תורמת לפיתוח קירור יעיל של רכיבים אלקטרוניים ברכבי טויוטה ההיברידיים

צוות אופטימיזציית הטופולוגיה במכון המחקר של טויוטה בצפון אמריקה, משתמש בתוכנות ®COMSOL Multuphysics ו MATLAB®, ובמיוחד במודול המתקדם LiveLink™ for SolidWorks® של ®COMSOL, על מנת לפתח טכנולוגיה חדשה לקירור הרכיבים האלקטרוניים ברכבי טויוטה ההיברידיים. הצוות מספר על ביצועי הסימולציות שנבחנו בתוכנת קומסול עם הקישורים הישירים לתוכנות ®MATLAB ו SolidWorks®, ומתרשם לטובה מהתאימות המלאה לעולם האמיתי:
” לאחר שהשתמשנו ב- ®COMSOL וב- ®MATLAB ברוטינת אופטימיזציית הטופולוגיה, השתמשנו בקונספט הערוץ הסופי על מנת לתכנן ולהעריך אב טיפוס תוך שימוש במודול LiveLink™ for SolidWorks® של ®COMSOL. לתוכנה יש מאפיין נחמד אשר מאפשר למשתמש לקשר באופן אקטיבי לכלי CAD, וזה קל לייבא סוגי מבנים רבים מ- ®SolidWorks חזרה ל- ®COMSOL על מנת לאמת את ירידת הלחץ ומעבר החום “.

” אני חושב שזהו ממש העתיד של הסימולציות, שתהיה לך האפשרות לקשר את כלי ה CAD שלך כך שתוכל ליצור זרימות לפיתוח הישנויות תיכנון מהירות ומדויקות. לא בטוח שזה הולך לפתור את כל הבעיות שלך, אך זה עוזר לך לגבש במהירות נקודת פתיחה טובה ולהתפתח ממנה “.

ע”י השימוש בתכנוני ®SolidWorks נבנו שני אבי טיפוס מאלומיניום בעזרת שיטות מיקרו-מכניות סטנדרטיות. שני אבי הטיפוס האלה נוצרו ונעשתה ביניהם השוואה: יחידת התנגדות חום וירידת לחץ בגרסא משולבת מיקרו-אפיק סילוני/היררכי, כנגד גרסא המנצלת התנגשות סילונית של לוח שטוח פשוט.
לאחר מכן חוברו להם יחדיו שני אבי הטיפוס למבנה בדיקה דו צדדי של קירור כדי לראות האם קונפיגורציה דואלית יכולה לספק קירור עם ביצועים טובים יותר באריזה בעלת מימדים ממש דחוסים .

הסיפור נלקח ממגזין 2012 ®COMSOL

טכניקות בידוד תרמי חדשניות מביאות חיסונים למדינות העולם המתפתח

תוכנית Global Good של חברת Intellectual Ventures האמריקאית עבדה על טכנולוגיה חדשה בכדי להביא חיסונים לכל פינה בעולם. מתקן אחסון החיסונים הפאסיבי משתמש רק בגוש בודד של קרח ולא זקוק לחשמל ממקור חיצוני בכדי לאחסן תרופות בטמפרטורות נמוכות לתקופה של חודש שלם.
באזורים רבים של העולם המתפתח ישנה גישה מוגבלת מאוד לחשמל, ובמקומות רבים אין כלל תשתיות לאספקת חשמל. עובדה זו מעמידה אתגר גדול מאוד לדוקטורים ועובדי סיוע. עד ממש לא מזמן, חיסונים שהיה צריך לשמור בטמפרטורות נמוכות ויציבות לא היו יכולים להגיע לאזורים מנותקים בהם הכי צריך אותם. במסגרת תוכנית Global Good של חברת Intellectual Ventures, צוות של חדשנים המציאו מיכל המתפקד כמו תרמוס, אשר זכה לכינוי מתקן אחסון החיסונים הפאסיבי (מאח”פ) אשר עושה שימוש בבידוד בביצועים גבוהים במטרה לשנות לחלוטין את הדרך בה חיסונים מאוחסנים באזורים בהם החשמל מאוד מוגבל.

לעמוד בדרישות בטיחות מחמירות

אם לא שומרים אותם בטווח הטמפרטורות הרצוי במשך כל הזמן, החיסונים עלולים להתקלקל ולהפוך לבלתי שמישים. החוקרים בתוכנית היו חייבים להשתמש בפרמטרים שהוכתבו להם על ידי ארגון הבריאות העולמי. בכדי לעבור בצורה בטוחה, החיסונים חייבים להישמר בתוך חלון צר של בין 0 ל- 10 מעלות צלסיוס.
האבטיפוס הראשון שהחוקרים תכננו מבוסס על תרמוס קריוגני, מכשיר המסתמך על טכנולוגיה של ואקום ובידוד רב שכבתי בכדי לאחסן נוזלים קרים מאוד. תרמוסים המסוגלים להחזיק בד”כ חנקן נוזלי או חמצן נוזלי לתקופות זמן ממושכות יכולים להחזיק קרח רק לכמה ימים בטרם הוא נמס.

חוקרי Global Good ערכו ניסויים יחד עם מידול מערכות ואקום ותרמיות בתוכנת ®COMSOL Multiphysics במטרה לאתר חומרים ועיצובים שונים אשר יאפשרו למאח”פ לשמור על רמות ואקום גבוהות בטמפרטורות גבוהות. כמו תרמוס קריוגני, המאח”פ מבוסס על בידוד רב שכבתי בתוך חלל ואקום בכדי לצמצם מעבר חום. הרמה הגבוהה של ואקום מנטרלת בצורה וירטואלית הולכה של חום והובלת גזים, בעוד הבידוד הרב שכבתי מוריד בצורה דרמטית את מעבר החום הקרינתי. הבידוד הרב שכבתי, אשר עשוי משכבות אלומיניום רפלקטיביות מאוד מאוד דקות, הוא זהה לחומרים שמשתמשים בהם בספינות חלל.

סימולציות של אחסון חיסונים בתנאים קיצוניים

החוקרים השתמשו בתא סביבתי המדמה את תנאי האקלים השוררים באפריקה שמדרום לסהרה במטרה לחקור בקפדנות ולהבין את ביצועיהם של אבי הטיפוס שלהם. למרות זאת, בניית אבטיפוס איכותי של תרמוס ואקום כרוכה במאמץ רב, לכן על מנת לחקור כיווני תכנון שונים בצורה יעילה יותר בטרם בניית אבטיפוס, הקבוצה פנתה ל- ®COMSOL Multiphysics ולמודולים של התוכנה, Heat Transfer Module ו- Molecular Flow Module ולעוד כמה נוספים. האתגרים שלהם כללו ביצוע אופטימיזציה לגיאומטריה הפנימית עבור מקסימום זמן של אחסון קר, שמירה על יכולת ואקום גבוהה יותר, ושליטה על שחרור הגזים בחלל הואקום. צמצום שחרור הגזים הוא קריטי, שכן אפילו כמויות ממוצעות של שחרור גז עודף בתוך חלל הואקום במהלך החיים של המאח”פ יכולות לגרום לואקום לאבד את האחדות שלו, דבר שיגביר את מעבר החום למכשיר.

בוצעה אופטימיזציה לגיאומטריה של המכשיר במטרה למקסם את זמן ההחזקה של החיסונים ובכדי שיהיה כמה שיותר נגיש לעובדי הבריאות בשטח. כקו הגנה ראשון נגד האלמנטים, החלק החיצוני של המתקן מכיל סוגר מתכת מרופד בבמפרים להגנה מגומי, בעוד החלק הפנימי של המאח”פ מכיל כונכיה קטנה המחוברת בחלקה העליון לחלק החיצוני עם תומכה. בשל עיצוב זה, מעבר חום מוליך יכול להתרחש רק בנקודת החיבור. בנוסף, רצועת תרכובת משמרת את חלל הואקום כך שאין כלל חדירה של גז מהאוויר שבסביבה.

לפי דבריו של דיויד גספרינו, אחד המהנדסים שהשתמשו ב- ®COMSOL בתהליך עיצוב המאח”פ, “COMSOL® Multiphysics הוא כלי אדיר להפחתת זמן העבודה על מודלים מסובכים”. בהמשך דבריו הוא ציין כי הם העריכו במיוחד “את העובדה כי בתוכנה הכל זורם ביחד בצורה פשוטה ואינטואיטיבית, וקל מאוד לבצע את הצימודים המולטיפיזיקליים החשובים”. הצוות מצא כי המגוון הרחב של מודולים הקיימים בתוכנה עוזר מאוד למציאת הפיזיקות המורכבות שהיו רלוונטיות לתהליכי המידול שלהם.

שיפור העיצוב של מתקן האחסון עבור הדורות הבאים

כתוצאה מהמחקרים הניסויים והתיאורטיים שנעשו אודות המאח”פ, המתקן מסוגל להשפיע משמעותית על כל נושא החיסונים בעולם המתפתח, להביא את החיסונים לאזורים מנותקים ולאפשר להם להיות מאוחסנים לתקופות ארוכות יותר ללא צורך בחשמל. במהלך הזמן Intellectual Ventures ישפרו את עיצובי מתקני האחסון שלהם בכדי להשאיר את החיסונים קרים תקופות נרחבות יותר עם יעילות מוגברת אף יותר. הצוות ימשיך לעבוד במטרה ליצור כלים פורצי דרך עם היכולת להציל חיים ברחבי העולם.

הסיפור נלקח ממגזין 2014 ®COMSOL