Skip to main content

שיא גינס בשיעור כימיה המוני

תאריך:22/09/2011 20:30 - 19:00
ניסוי בכימיה שערך אילן רמון בחלל ישוחזר ב"ליל המדענים" בשיעור הכימיה ההמוני הגדול ביותר בעולם - השיעור יתקיים ביוזמת משרד המדע והטכנולוגיה בעשרה מוסדות מחקר ומדע ברחבי הארץ

משרד המדע והטכנולוגיה יזם ניסוי המוני בכימיה שבו כל ילד ומבוגר יוכל להשתתף גם ללא ידע מוקדם במדעים. הניסוי, שיתקיים ב-22 בספטמבר 2011 במסגרת אירועי "ליל המדענים" בעשרה מוסדות מחקר ומדע ברחבי הארץ, הוא שחזור של ניסוי "הגן הכימי" שערך האסטרונאוט הישראלי הראשון בחלל אל"מ אילן רמון זכרונו לברכה על המעבורת "קולומביה". במסגרת היוזמה, ינסו המשתתפים לקבוע שיא גינס חדש בקטגוריה "שיעור הכימיה ההמוני הגדול ביותר שנערך במספר מקומות במקביל".

ניסוי "הגן הכימי" הוצג לרמון ב-2003 על ידי קבוצה של תלמידי תיכון ובוצע על ידו כשש שעות לאחר המראת המעבורת. מטרת הניסוי הייתה לבחון את המנגנון של גידול גבישים בתמיסת "מי זכוכית" בתנאי הכבידה בחלל. בשיעור ההמוני שיתקיים ב"ליל המדענים", יבדקו המשתתפים את התגובה הכימית בתנאי הכבידה על פני כדור הארץ. במסגרת שיעור קצר שיכלול הסברים והדגמות, יתקיים ניסוי שבמהלכו כל משתתף יערבב בערכה אישית משלו גבישים של החומרים סידן כלורי, נחושת כלורית וברזל תלת-כלורי לתוך תמיסה של "מי זכוכית". הערבוב יוצר תגובה כימית שמצמיחה תוך דקות ספורות את הגבישים יחדיו כלפי מעלה והתוצר הוא תרכובת בצבעי דגל ישראל – כחול ולבן –ומסביבה תגובה בצבע זהב.

בעקבות פניית משרד המדע והטכנולוגיה, אישר ספר השיאים של גינס את עריכת הניסוי למטרות רישום שיא עולמי חדש בספר. שיא זה יהיה הראשון מסוגו בעולם ואישורו כשיא חדש תלויה במספר המשתתפים שיגיעו להשתתף בניסוי במקביל בעשרת מוסדות המדע והמחקר המשתתפים ביוזמה. השיא הנוכחי עומד כעת על 562 משתתפים בשיעור כימיה שהתקיים בבלגיה.


ניסוי בחלל "הגן הכימי"
מאת ד''ר דליה צ'שנובסקי, תיכון אוסטרובסקי, רעננה

מקור המאמר באתר מכון ווייצמן

 


כשש שעות לאחר השיגור של מעבורת החלל "קולומביה" ב-16.1.2003, ניתן האות לאסטרונאוט הישראלי הראשון אל"מ אילן רמון להתחלת הניסוי "הגן הכימי": "הפעל ניסוי - בהצלחה". האות ניתן מהארץ על-ידי קבוצת תלמידים מכיתות י"א של קריית החינוך העירונית אורט - קרית מוצקין למעבורת החלל, דרך הפיקוח של סוכנות החלל האמריקאית (NASA) ביוסטון.

האסטרונאוטית קלפנה צ'וואלה הפעילה תהליך אוטומטי של הכנסת גבישים של התרכובות היוניות: סידן כלורי, CaCl2, וקובלט כלורי, CoCl2, לתוך תמיסת "מי זכוכית" והתגובה הכימית בין המלחים לבין "מי הזכוכית" החלה.

הניסוי "גן כימי" תוכנן על ידי קבוצה של 35 תלמידים עוד בהיותם תלמידי חט"ב אורט מוצקין בראשות מורתם לפיזיקה ד"ר אמירה בירנבאום (דוקטור לכימיה) ובהנחיית פרופ' אלי קולודני מן הפקולטה לכימיה בטכניון, האחראי המדעי על הניסוי. הפרוייקט נוהל ע"י פרופ' יגאל קומם ופרופ' משה גלמן מהטכניון בשיתוף המינהל למדע ולטכנולוגיה במשרד החינוך וסוכנות החלל הישראלית בראשות אבי הר-אבן.

חברת "Spacehab" האמריקאית, הבונה את תאי המטען למעבורת, ניהלה את הפרוייקט (STARS) בארה"ב ובנתה את תא הגידול לניסוי.

"הגן הכימי" נבחר לייצג את ישראל בעקבות תחרות של רעיונות מקוריים ומעניינים לניסויים בחלל בתחומי כימיה, פיסיקה וביולוגיה. ניסוי זה היה אחד מלמעלה משמונים ניסויים מדעיים נבחרים בטיסה 107 של מעבורת החלל, שהייתה אמורה לצאת לדרכה בשנת 2000.

התלמידים פגשו את אילן רמון ושוחחו עמו על הניסוי. לאחר מחקר ולימוד מעמיק של ההיבטים הכימיים והפיזיקליים הרלוונטיים לניסוי הוא הוצג באפריל 2002 למדענים ואסטרונאוטים במתקני Spacehab בקולורדו בארה"ב על-ידי חמישה תלמידים, מורתם ויונתן מנור, סטודנט לדוקטורט ממעבדתו של פרופ' אלי קולודני. הניסוי נבדק במתקן הדמיה, המשחזר את התנאים במעבורת. שלושה ימים לפני שיגורה של המעבורת "קולומביה" במשימה 107-STS הכינה קבוצה של חמישה תלמידים בהנחייתם של מהנדסי Spacehab, פרופ' אלי קולודני וד"ר אמירה בירנבאום שלושה ניסויים זהים במעבדה סמוך לכף קנדי בפלורידה. הגבישים הוכנסו לתוך מתקן גידול מיוחד ותוכנן שהכנסתם לתמיסה במעבורת תעשה באופן אוטומטי.

ביום השיגור היו התלמידים ומלוויהם במרכז החלל ע"ש קנדי וצפו במעבורת החלל העולה השמיימה.

מטרת הניסוי "הגן הכימי" הייתה לחקור את המנגנון של גידול גבישים בתמיסת "מי-זכוכית" (תמיסה מימית של נתרן סיליקט, Na2SiO3) בסביבה של כבידה זעירה (כוח משיכה הנמוך בערך פי 10000 מן הכבידה על פני כדור הארץ), כמו זו הקיימת בתנאי המהירות המסלולית של מעבורת החלל בגובה של כ-285 ק"מ מעל פני הים. מתכנני הניסוי בקשו לדעת מהו הכוח המניע לגידול גבישים ומה קצב וכיוון הצמיחה שלהם בחלל. הם קיוו כי תוצאות הניסוי במעבורת תסייענה להבנת מנגנון הצמיחה של הגבישים על-פני כדור הארץ.

על-פני כדור הארץ בתנאי כבידה, שני החומרים סידן כלורי וקובלט כלורי מתחילים "להצמיח" מעין חוטים דקיקים כלפי מעלה מיד לאחר הכנסתם לתוך "מי הזכוכית". כלומר, הצמיחה של הגבישים היא בכיוון המנוגד לכוח הכובד. בעת צמיחת הגבישים ניתן להבחין לעיתים קרובות בבועות אוויר זעירות בקצוות הענפים. לא ברור מתי ומדוע מופיעות בועות אלה, אך נמצא שבנוכחותן תהליך הצמיחה מהיר יותר ונמשך דקות ספורות.
 



ניסוי "הגן הכימי" על כדור הארץ
(הצילום באדיבות "ראש גדול" – ירחון מדע לצעירים)


בעבר הוצע לתהליך הצמיחה על פני כדור הארץ מנגנון הכולל מספר תהליכים כימיים ופיזיקליים, המבוסס על הבדלים בלחץ הידרוסטטי (הכוח שמפעיל עמוד מים ליחידת שטח). חוקרים הניחו שענפי הגבישים גדלים בטור צומח של מעין חצאי-כדורים קטנים: בתמיסה המימית של נתרן סיליקט - "מי הזכוכית" נוצר קרום חדיר למחצה - ממברנה בצורת כדור, העשויה סיליקה ג'ל. הגביש המוקף קרום ממשיך להתמוסס ולכן ריכוז תמיסת המלח (למשל תמיסת הסידן הכלורי) גבוה יותר בתוך הכדור המתפתח מאשר מחוצה לו. כתוצאה מכך מים מפעפעים פנימה וגורמים לקרום הכדורי להתנפח. הבדלי הלחצים בין חלקו העליון וחלקו התחתון גורמים לקרום להתפוצץ בחלק העליון תוך יצירת חצי-כדור. מתוך החלק העליון של הקרום ניתז כלפי מעלה זרזיף של תמיסת מלח מרוכזת ונוצר חצי כדור חדש גבוה יותר וכן הלאה. כל חצאי הכדורים מתחברים זה לזה בתהליך רציף ומתפתחת צינורית מוצקה חלולה.

השערה נוספת היא, שכאשר מופיעות בועות גז זעירות בקצוות הענפים בעת צמיחת הגבישים, הן מספקות כוח עילוי ומושכות את הענפים כלפי מעלה בקצב מואץ. המנגנון שהוצע לתהליך הצמיחה של הגבישים בתמיסה מימית על-פני כדור הארץ קשור לכוחות המשיכה, שהנם כוחות פיזיקליים. כוחות אלו פועלים יחד עם התהליכים הכימיים. בחלל, בתנאים של כבידה זעירה, כוחות הכבידה כמעט ואינם קיימים וניתן היה לצפות שהתהליכים הכימיים הנמצאים בבסיס מנגנון הצמיחה יחשפו בצורה ברורה. מתכנני הניסוי שערו כי מכיוון שבחלל לא יהיה כוון מועדף לצמיחתם, יתפתחו המוצקים במעבורת באופן אקראי לכל הכיוונים בצורה פרועה או בצורה כדורית סימטרית. כן הועלתה השערה כי ייתכן שבגלל תנאי הכבידה הזעירה תהליך הצמיחה יהיה איטי יותר. במסגרת הניסוי תוכננה גם בדיקה של הגבישים במיקרוסקופ אלקטרוני לאחר חזרתה של המעבורת לכדור הארץ.

לא במקרה נבחרו החומרים, סידן כלורי וקובלט כלורי לניסוי. צבעה של התרכובת קובלט כלורי הוא אדום ולאחר הכנסתה ל"מי-זכוכית" הצבע משתנה לכחול. צבעה של התרכובת סידן כלורי הוא לבן. צבעי הכחול-לבן של הגבישים סמלו את צבעי הדגל של מדינת ישראל.
 


אילן רמון וניסוי "הגן הכימי" במעבורת החלל "קולומביה"


בעת עריכת הניסוי בחלל נערך במקביל ניסוי ביקורת בתנאי כבידה בכדור הארץ. הצילומים ששודרו ממעבורת החלל "קולומביה" לנאס"א בזמן אמת (תוך כדי גידול) הראו הבדלים משמעותיים בין גידול הגבישים בחלל לבין גידולם על פני כדור הארץ: בניסוי שנערך במעבורת החלל התגבש הסידן הכלורי תחילה בצורה של כדור סימטרי לבן ולאחר מכן התחיל להוציא מחושים עבים בכיוונים אקראיים. הקובלט הכלורי התגבש בצורת כדור פרוע כחול עם בליטות וזיפים לצדדים. כיוון הצמיחה בחלל היה שונה אפוא מאשר על פני כדור הארץ. גם זמן צמיחת הגבישים היה שונה: בכדור הארץ הושלמה הצמיחה תוך שלושים דקות ואילו בחלל היא נמשכה יותר מעשרים וארבע שעות. כעבור שבעה ימים נערך ניסוי שני על-ידי אילן רמון ונמצא כי התוצאות חזרו על עצמן. הממצאים, שהתאימו בחלקם לתחזיות התלמידים, עוררו התרגשות כבירה. על ביצוע הניסויים דווח באתר של נאס"א

פרופ' אלי קולודני והדוקטורנט יונתן מנור עובדים בימים אלה על ניתוח והסבר תוצאות הניסויים.


 
תוצאות הניסוי "הגן הכימי" עם גבישי סידן כלורי על כדור הארץ ובחלל

 


תוצאות הניסוי "הגן הכימי" עם גבישי סידן כלורי על כדור הארץ ובחלל

 


תוצאות הניסוי "הגן הכימי" בחלל עם גבישי קובלט כלורי


בנוסף לניסוי "הגן הכימי" של התלמידים מישראל תוכננו חמישה ניסויים נוספים על-ידי קבוצות נוער ממדינות שונות במסגרת תוכנית STARS:
Space Technology and Research Students

כשמונים הניסויים המדעיים במעבורת נערכו במשך שישה-עשר יום עשרים וארבע שעות ביממה בשתי משמרות על-ידי שבעת האסטרונאוטים: ריק האסבנד, וויליאם מק'קול, מייקל אנדרסון, קלפאנה צ'וואלה, דיוויד בראון, לורל קלארק ואילן רמון.

בין הניסויים היו כמה שתוכננו על-ידי מדענים ישראלים ובוצעו על-ידי אילן רמון. הניסוי המדעי העיקרי הנקרא בשם מיידק"ס פותח באוניברסיטת תל-אביב. במסגרת הניסוי נערכו צילומים ומדידות של סופות אבק באזור הים התיכון ונערך מעקב אחר אווירוסולים (חלקיקים זעירים המרחפים באופן קבוע באטמוספירה התחתונה של כדור הארץ) כדי לבדוק את השפעתם על העננים והאקלים.
 
מעבורת החלל "קולומביה" התרסקה בשובה לכדור הארץ במהלך כניסתה לאטמוספירה בתאריך 1.2.2003, מספר דקות לפני נחיתתה, ושבעת האסטרונאוטים חברי צוותה נספו.
 



צוות "קולומביה"


תודות לפרופ' אלי קולודני ולדוקטורנט יונתן מנור על עזרתם ועל הארותיהם והערותיהם החשובות.
נוצר בתאריך: 14/09/11
עודכן בתאריך: 30/08/12