ניסויים מדעיים לחנוכה

אין כמו חג החנוכה לקצת פעילות מדעית ולמספר ניסויים נחמדים באור, אש ונרות. כמובן שכל ניסוי הכולל אש חייב להיעשות בהשגחה של מבוגר.

הניסוי הראשון פשוט מאד, מדליקים נר בתוך קערת מים, מכסים את הנר בכוס ורואים שהמים בכוס עולים כלפי מעלה.

איך זה קורה? פשוט מאד. הנר הדולק חייב חמצן כדי לדלוק, בחדר יש הרבה חמצן אולם כאשר כיסינו את הנר בכוס כמות החמצן קטנה מאד ותהליך הבערה מכלה את החמצן החופשי (החמצן מתרכב עם הפחמן). כאשר אין חמצן, הלחץ בתוך הכוס יורד ולכן המים המרגישים פחות לחץ ועולים בגובה ויש יותר מים בכוס (ופחות מים בקערה). כמובן שבשלב מסוים הנר ייכבה ואז המפלס יישאר יציב, גבוה בכוס ונמוך יותר בקערה.

בניסוי השני נבדוק את היחס בין החמצן לבין שאר הגזים באוויר. נשתמש בשני נרות בגבהים שונים ונכסה אותם בכוס. הנר העליון יכבה לפני הנר התחתון.

למה זה קורה? תוצרי השריפה פחמן-דו חמצני, חמים ולכן עולים כלפי מעלה (למרות שהם כבדים מהחמצן) החמצן יורד כלפי מטה ולכן לנר התחתון יש מעט יותר זמן בעירה. זו הסיבה שבמקרה של שריפה חלילה מומלץ לנסות לצאת מהאיזור המסוכן כמה שיותר קרובים לריצפה.

לניסוי השלישי צריך נר, שתי כוסות וסיכה או שתיים. חושפים נר משני קצותיו ומניחים אותו בשיווי משקל באמצעות הסיכה בין שתי כוסות. שימו לב, רוב הנרות הם חרוטים ולא גליליים ולכן נקודת שיווי המשקל אינה באמצע הנר, בכל מקרה אפשר להבעיר קצת מהנר בצד שהוא כבד יותר עד שמגיעים לשיווי משקל. הבעירה הלא אחידה משנה את נקודת הכובד של הנר וכך הוא מתנדנד, לפי השמועה אפשר אפילו להגיע לסלטה. ניסינו אולם הכוסות חסמו את הנר והוא נכבה. נסו ותהנו, כמובן השגחת מבוגר נדרשת.

ירח קטן וגדול

הסבלנות משתלמת. לפני כחצי שנה פירסמתי מאמר על ירח בקירבה מירבית - פריגאה. ציינתי שם שאפשר לצלם את הירח ולהשוות לירח בריחוק מירבי - אפוגיאה. ההשוואה תאפשר לראות הבדל ניכר בגודל. הירח אמנם מגיע לנקודות הקיצון במסלול שלו מדי חודש, אבל לצורך השוואה מומלץ לצלם ירח מלא. הלילה הירח מלא ומרוחק והייתה לי הזדמנות להשלים את הניסוי. התוצאות מדברות בעד עצמן, הירח רחוק בעוד 50000 קילומטרים וגודלו הנראה קטן ב-15% לעומת הירח הגדול ביותר. הצבע הכתום של הירח הוא בגלל שהירח צולם בזריחתו. אם אתם חושבים שהירח כהה מעט יותר בחלקו העליון, אתם צודקים, הירח היה לקראת סיום של ליקוי חצי-צל, הכהות עדינה מאד ובקושי בולטת.
תמונה אחת שווה אלף מילים וזה נכון גם במקרה הנוכחי

ירח גדול וירח קטן

וויאג'ר - אנרגיה בחלל

אנרגיה היא החיים של החללית

חללית צריכה כמה מקורות אנרגיה שונים. האנרגיה הראשונה נדרשת לתנועה בחלל עצמו. אמנם את רוב המהירות החללית מקבלת מהטיל שמשגר אותה ומכוכבי הלכת במסלולם (כפי שתיארנו במאמר הראשון בסדרה) אולם תיקוני מסלול נחוצים תמיד. אנרגיה נוספת נדרשת להפעלת המיכשור בחללית, מכשירי המדידה והתקשורת. במאמר זה נעסוק במקורות האנרגיה של וויאג'ר.

איפה מוצאים אנרגיה בחלל?

אפשר להביא אנרגיה מהבית, או לייצר אותה בחלל. המקור הראשוני לאנרגיה הוא סוללות, אולם סוללות הן מוגבלות ביותר, ובעיקר מתפרקות ומאבדות אנרגיה ודורשות טעינה כל הזמן. סוללות (ומצברים) נמצאים בשימוש לצורכי גיבוי, אולם בחללית כמו וויאג'ר שמתוכננת לפעול במשך שנים רבות, הן אינן מקור כוח אידיאלי. המקור השני הנפוץ ביותר הוא  פנלים סולריים ההופכים את אור השמש לחשמל. פנלים אלו יעילים מאד במשימות סביב כדור הארץ וכל לווין המקיף את כדור הארץ כולל לוחות כאלו. אולם, יעילות הפאלים קטנה ככל שמתרחקים מהשמש ועוצמת האור יורדת. אם צדק מרוחק פי 3-4 מהשמש מאשר כדור הארץ, עוצמת האור היא רק 10% וצריכים פנלים ששטחם גדול פי עשר. משימת ג'ונו לצדק כוללת פנלים סולריים בגדול 60 מ"ר! אולם חללית וויאג'ר שעדיין עובדת נמצאת במרחק הגדול פי 120 מכדור הארץ וכמובן שקולטים בשטח הגדול פי 10000 מקולטים "רגילים" אינם מעשיים כלל.

קצת פיזיקה גרעינית

מקור כוח זמין וטוב צריך להיות אמין, יציב, זמין ולא פחות חשוב גם בטיחותי. דרישת הבטיחות חשובה שכן מקור הכוח מורכב בכדור הארץ ועשוי גם לחזור לכדור הארץ במקרה של תקלה (חומר רדיואקטיבי שהיה צריך להישאר על הירח, חזר לכדור הארץ בחללית אפולו 13). אולם על מנת לענות על הדרישות הראשונות יש להתפשר מעט בהיבט הבטיחותי ולעבור למקורות כוח גרעיניים. האפשרות הראשונה היא לייצר כורון אטומי בו יתבצע ביקוע אטומי בתהליך מבוקר בחלל. כורים כאלו נבנו גם בארה"ב וגם בבברית המועצות, אולם כיום הם נחשבים לא מספיק בטיחותיים. המקור השני לאנרגיה הוא ביסודות הפולטים קרינה באופן טבעי. איזוטופים מסוימים פולטים חלקיקים (אלפא ביתא או גמא) ומתפרקים לאט לאט ליסודות אחרים. פליטת החלקיקים מייצרת חום, וחום אפשר להפוך לחשמל. החיסרון הוא שוב שאיזוטופים אלו הם כצפוי מסוכנים ורעילים ביותר ולכן הוגדרו תקנים מחמירים ביותר לטיפול בחומרים אלו. מקור אנרגיה זה מכונה RTG Radioisotope thermoelectric generator והוא נראה כך:

דוגמא למחולל RTG. ויקיפדיה

החומר הפולט קרינה הוא לרוב פלוטוניום 238 (לא אותו פלוטונים בו משתמשים בפצצות אטום) והוא עטוף בהמון שכבות הגנה... ככה נראה גוש פלוטוניום בודד המפיק חום (ובגלל זה הצבע האדום). חומר זה הוא המתאים ביותר לשימוש שכן זמן מחצית החיים שלו הוא 87 שנים והפליטה היא בעיקר של קרינת אלפא, חלקיקים שקל לעצור (מספיקה, יחסית, שכבת בידוד דקה מעופרת כדי לעצור אותם)

פלוטונים פולט אנרגיה ומתחמם. ויקיפדיה

תפוקת החשמל מקילו אחד של פלוטונים  היא בסך הכל 500 וואט, ולכן בחללית צריכים להיות מספר קילוגרמים של החומר. כמו כן, לכל חומר רדיואקטיבי יש זמן מחצית חיים, זהו זמן שאחריו מחצית מהחומר תתפרק ליסודות אחרים (שאינם פולטים קרינה). לכן את כמות החומר הדרושה יש לחשב לפי דרישות ההספק בסיום המשימה ובשעת השיגור יש עודף גדול של אנרגיה. בחלליות וויאג'ר (ובכל חללית אחרת המבוססת על RTG) יש ירידה קבועה בהספק החללית עקב התפרקות החומר.
לחלליות וואיג'ר לא נשארו הרבה ואטים. פחות ממאתיים. תחשבו אתם איך הייתם מנהלים את הבית שלכם עם כל כך מעט חשמל. ועם זה צריך להסתדר ורצוי עוד 10 שנים. לכן עכשיו מופעלות רק מעט מערכות (ראו המאמר השלישי בסדרה) המשמשות למדידות ומערכת התקשורת, עליה נרחיב במאמר הבא.


מאמרים נוספים בסדרה

וויאג'ר - המסע הגדול
וויאג'ר - התמונה האחרונה
מה וויאג'ר עושה היום
וויאג'ר - תקליט הזהב

רמת הגולן ופליאומגנטיזם

ברמת הגולן אפשר לראות תופעת טבע מעניינת. רוב רמת הגולן הינו שטח שהיה פעיל געשית בעבר. סלעי בזלת שהתמצקו (הפכו מנוזל למוצק) שמרו בקרבם תכונות מגנטיות שונות מהתכונות היום. קירוב מצפן לסלעים אלו יבלבל את המצפן שיצביע להרבה מאד מקומות אך לא לצפון. בסלעים מסוימים השינוי נגרם עקב מכת ברק מדוייקת.
צפו בסרטון המדגים את התופעה

סלע הפליאומגנטיזם

המצפן מאבד את הצפון

לא חייבים להבין את התופעה אבל מאד מענין לעבור מאבן לאבן, ולראות אילו אבנים גורמות למצפן להשתגע ובאיזו צורה. ניתן גם למצוא מקומות שבהם המצפן פשוט ישתולל אפילו ללא תזוזה. אם המצפן שלכם הוא במכשיר הטלפון, כדאי לבצע קליברציה מחדש בסיום הפעילות.

הפארק מאד נוח לגישה ונמצא כקילומטר מזרחית מצומת האמיר (וסט) לכיוון מרום גולן. לאחר ביקור בפארק הסלעים חזרו לצומת האמיר. קק"ל הכשירה שם חניון מקסים, עם מתקני משחק לילדים, וגני פסלים, אחד מהם לזכרו של אסף רז. הילדים יהנו לשחק במתקנים ולעבור בין הפסלים, גם ארמונו הישן של האמיר נגיש ויש גם מעיין קרוב. שימו לב לא לחצות גדרות כלל עקב סכנת מיקוש ושטחי אימונים.

פארק עורבים רמת הגולן

פארק עורבים רמת הגולן

פארק עורבים רמת הגולן

פארק עורבים רמת הגולן

<
לאחר הפיקניק (בפינותיו האחרות של הצומת יש בית קפה ומרכז מבקרים) עלו להר בנטל. שמה תמיד נעים, בגובה 1200 מטרים הר בנטל הינו נקודת תצפית מרתקת, גם שם תוכלו להנות מפיסול משארית רק"ם, ומתצפית נפלאה לכל הכיוונים. מיקומו של קו הגבול ברור מאד. עד אליו הכל ירוק, וממנו והלאה הכל חום. וזאת למרות שמיד לאחר קוניטרה נראה מאגר מים ענקי בשטח סוריה ולכן מחסור במים אינו תירוץ. בהר עצמו, הילדים יתמוגגו מסיור בתעלות ובבונקרים וכדאי מאד להסביר להם ובהתאמה לגילם על אירועי הקרבות בגולן (עמדות מידע בבונקרים). נסו לתזמן את ההגעה לשעת השקיעה. עמק החולה כבר כהה כולו, אבל הר בנטל, כאלף מטר מעליו, עדיין מואר והשקיעות נהדרות.

קוניטרה החדשה

שדות בגולן

גבול ישראל סורי

גבול ישראל סוריה - קל מאד לראות היכן עובר הגבול

שקיעה בהר בנטל

להרפתקנים, המשיכו לכיוון אלוני הבשן, להר בני רסן, עליו נמצאות טורבינות הרוח, לצערי לפחות מחיצתן לא עובדות. שביל עפר עביר יוביל אתכם ממש למרגלות הטורבינות. אפשר לעמוד ממש מתחת ללהבי הענק, לשמוע את הווש ווש שלהם להביט למעלה ולראות איך הלהבים כמעט מגיעים אליכם. חוויה שונה למדי.

טורבינות רוח ברמת הגולן

תמיד, אבל תמיד הסתכלו בעירנות, עולם החי של הגולן מגוון ביותר ובטיול האחרון ראינו: שועל, זאב, צבי, צבים, חסידות ועוד. לצערנו ראינו גם חזיר בר דרוס. גם בשיט קיאקים, התבוננו בגדות וחפשו את הצבים. רוב האנשים לא שמים אליהם לב בכלל אבל הם שם.

צב מים

חסידה

מה וויאג'ר עושה היום

פעילה כמעט חמישים שנה

במאמרנו הקודם, עסקנו בצילום האחרון של חללית וויאג'ר. לכאורה לאחר צילום זה שסימן את סופו של המסע הגדול, היה אפשר לחגוג ולציין סיום מוצלח ביותר של המשימה, לכבות את השאלטר בחדר הבקרה ולתת לחלליות להמשיך בדרכן לכוכבים אחרים בשלווה (יקח להן כמה עשרות אלפי שנים להגיע), אולם עקב כך שמצב החלליות היה באופן כללי טוב (לאחר 15 שנות עבודה, ומפגשים קשים עם שדות מגנטיים, בעיקר של צדק) ומיקומן הרחוק ביותר במערכת השמש (וויאג'ר 1 כבר עקפה את חללית פיוניר 10 שממילא לא תפקדה) אפשר לנצל חלק מהמיכשור לטובת מחקרים נוספים, ומאחר וכל סיום מהווה התחלה חדשה, סיומו של המסע הגדול התחיל את המשימה הבין חללית.

וויאג'ר 2. מקור: נאסא

בסיום המאמר - עדכונים ממשימת וויאג'ר 2

ייתכן ושמעתם בחדשות כי החללית קרובה לגבול מערכת השמש, או עומדת לצאת ממערכת השמש, או שכבר יצאה ממערכת השמש. הדברים לא מאד מדויקים ותלויים כמובן בשאלה היכן בכלל נגמרת מערכת השמש?

לשאלה זו כמה אפשרויות לתשובה. אם נניח שמערכת השמש נגמרת במקום שאין כבר יותר גופים המסתובבים סביב השמש, הרי שחלליות וויאג'ר אפילו לא קרובות לגבול. גם חגורת קויפר בה נעים גופים דמויי פלוטו, ובודאי עננת אורט המרוחקת עוד יותר, הן חלק ממערכת השמש. לתחילת חגורת אורט יקח לחללית עוד 300 שנה להגיע. ולעבור אותה? איש א יודע, כנראה באזור 30,000 שנה. מבחינה גרויטציונית ההערכה היא כי גודלה של מערכת השמש, מגיע לכדי שנת אור אחת!

ההגדרה היותר נוגעת לעניננו היא גבול השדה המגנטי של מערכת השמש. השמש, ככוכב פעיל גרעיני, מחוללת שדה מגנטי חזק, השדה נע כולו עם השמש (במהירות עצומה של 200 קילומטר בשנייה ביחס לגלקסיה), כאשר בכיוון תנועתה של השמש הוא נדחס פנימה ואילו מאחורי השמש הוא משתרע הרבה לאחור (ראו בתמונה). החלקיקים הטעונים הנפלטים מהשמש (והם גם הגורמים לתופעת הזוהר בקטבים) נעים במהירות רבה כאשר שום דבר לא עוצר אותם, עד המקום בו הם נתקלים בחלקיקים אחרים הבאים ממקומות אחרים.

החלקיקים הבאים מהשמש מכונים רוח השמש, החלקיקים הבאים מהחלל מכונים רוח החלל, והמחקר מנסה להבין מה קורה כאשר שתי רוחות אלו פוגשות אחת את השנייה (השימוש במילה רוח הוא לצורכי אילוסטרציה בלבד). איזור מפגש זה הוא המכונה, גבול מערכת השמש, ככל שהדברים נוגעים לחלליות וויאג'ר. האזור הוא דינמי ומשתנה וגודלו מיליארדים טובים של קילומטרים. לא יודעים בדיוק איפה הוא מתחיל, לא יודעים בדיוק איפה הוא נגמר, אבל יודעים שחללית וויאג'ר 1, קרובה מאד (יחסית) לשם.

המינוחים הלועזיים רבים ומבלבלים ונוותר עליהם (ראו באיור למטה), אולם עכשיו וויאג'ר 1 נמצאת באיזור בו רוח השמש כבר מאטה ומפעם לפעם מגלים חלקיקים רבי עוצמה שמקורם אינו במערכת השמש (מסיגי גבול?).

וויאג'ר - המשימה הבין כוכבית מקור: נאסא

באיור: מערכת השמש עם הפלנטות הגדולות היא העיגול הפנימי בסגול (כפי שאמרנו יש גם גופים שסובבים סביב השמש, הרחק משם) אטמוספירת השמש Heliosphere ענקית ומשתרעת מיליארדי קלומטרים אחורה ונמצאת בהתנגשות מתמדת מקדימה (זהו גל ההלם העובר בחלל שמערכת השמש כולה מייצרת). שתי החלליות נמצאות באיזור ביניים Heliosheath כאשר מקווים כי לפחות חללית וויאג'ר 1 תצליח להגיע לקצה שלו ולמפגש האלים עם רוח החלל.

אז מה שוויאג'ר עושה עכשיו הוא בעקרון מירוץ נגד הזמן, תאי הכח שלה (ובשאלת החשמל למערכות נעסוק במאמר נפרד) יכולים להחזיק מעמד עוד תקופה לא ידועה של 10-15 שנה. על מנת להאריך את משך החיים כובו כל המכשירים זוללי החשמל (תפוקת החשמל כיום היא מאות וואטים בודדים) והושארו רק מערכות חיוניות, מערכת התקשורת, בלעדיה כל מערכת אחרת היא חסרת משמעות, והמערכות למדידות המגנטיות הבודקות את עוצמת וכיוון החלקיקים. וויאג'ר 1 נמצאת כיום במרחק של 121 י"א (יחדיה אסטרונומית - המרחק בין השמש לכדור הארץ בערך 150 מיליון קילומטר) ובמהירות של 17 קילומטר לשנייה היא מתרחקת 3.6 י"א כל שנה. תוך עשר שנים היא תהיה במרחק של 150 י"א ואם היא תמשיך למדוד ולנטר את השדה המגנטי של השמש, נוכל ללמוד מכך רבות. למעשה וויאג'ר היא המעבדה הקידמית של האנושות. חובבי המד"ב עשויים לדמיין חללית שמתוכננת כך שתמשיך לפעול עשרות אלפי שנים וכך בעוד כמה עשרות אלפי דורות נוכל לקבל תמונות מכוכבים אחרים.

עדכון דצמבר 2018

נאסא אישרה כי חלליות וויאג'ר 2 יצאה מגבולות ההליוספירה. וויאג'ר 2 איטית יותר מוויאג'ר 1, בעיקר בגלל שעברה גם ליד נפטון ואורנוס, ולכן מפגרת אחרי וויאג'ר 1, אבל בניגוד לחללית 1, יש עליה מכשירי מדידה שעוד עובדים. המכשיר הרלוונטי הוא PLS מכשיר הבודק את צפיפות הפלסמה בסביבת החללית ומסיק ממנה את עוצמת "רוח השמש". לפני כחודש, בתאריך 5/12/2018 הקריאות מהמכשיר ירדו בצורה ניכרת, ולא חזרו עוד לרמות הרגילות, במקביל כמות הקרינה הקוסמית מרחבי גלקסיה עלתה בצורה ניכרת. המסקנה היא חד משמעית - וויאג'ר 2 יצאה מההליוספירה!

ראו את המדידות בגרף הבא:

מדידות פלסמה בוואיג'ר 2. באדיבות JPL נאסא

התקשורת עם וויאג'ר מסובכת במיוחד. הטכנולוגיה היא של שנות השבעים המוקדמות, המרחק עצום, שידור מהחללית לארץ לוקח 16.5 שעות, עוצמת האות אפסית, ויש צורך בכל מערך האנטנות של רשת DSN בשביל לקלוט משהו, ועדיין המדענים לומדים רבות ממשימה מדהימה זו, כבר למעלה מארבעים שנה!

עדכון מאי 2023

שינוי קונפיגורציה של חלוקת החשמל, מאפשרת שימוש ברזרבות כוח שנועדו למניעת מצב של עומס יותר ובכך לאפשר המשך פעילות של המכשירים הנותרים כולם לפחות עד 2026, כאשר אז כנראה יצטרכו לכבות כמה. בכך חיי המשימה מוארכים בעוד כמה שנים ובסך הכל יגיעו לחמישים שנה ואולי אפילו יותר!

אתר משימת וויאג'ר - בו תוכלו לראות כל שנייה איך מרחק החללית גדל
מאמרים קודמים בסדרה
וויאג'ר - המסע הגדול
וויאג'ר - התמונה האחרונה
וויאג'ר - אנרגיה בחלל
וויאג'ר - תקליט הזהב