חסילון האקדח ש"יורה" פלזמה

חוקרים מטקסס יצרו התקן מכני בהשראת הצבת של סרטן הנַקְשָׁן, שמסוגל לייצר גלי הדף ופלזמה תת-ימית. הנקשן, המכונה גם חסילון האקדח, הוא בעל חיים תת-ימי ממערכת פרוקי הרגליים הדומה לחסילון, והתפרסם בעיקר בשל הנקישות שהוא משמיע. לנקשן יש זוג צבתות לא זהות, שאחת מהן גדולה משמעותית מהשנייה. הצבת הזאת לא משמשת לתפיסה, אלא מפיקה גלי הדף עזים בזכות מפרק ייחודי ושרירים חזקים שסוגרים אותה במהירות הבזק.

התנועה המהירה של הצבת מובילה לזרם עז של מים, שנוצרות בו בועות באזורים המצויים בתת-לחץ רגעי, בתהליך שנקרא מיעור (קַוִויטציה). הפרש הלחצים הגדול בין הבועות למים סביבן גורם להן לקרוס פנימה במהירות, וליצור בתוך כך גל הדף במים. גלי ההדף הללו נשמעים כצליל נקישה עז שאפשר להבחין בו כשצוללים בשוניות אלמוגים, בעיקר באזורים טרופיים. עוצמת ההדף הזאת גדולה מספיק כדי להרוג יצורים ימיים קטנים שהנקשן ניזון מהם. הנקשן משתמש בנקישות גם להגנה מפני טורפים, או כאמצעי תקשורת בהיתקלויות עם נקשנים אחרים, למשל כדי להזהיר את היריב במאבק על טריטוריה.

המיעור שיוצרת צבת הנקשן אחראי לתופעות פיזיקליות מעניינות. קריסת הבועות שנוצרות בתהליך המיעור מלווה בחום רב, כך שטמפרטורת המים עשויה להגיע באופן נקודתי אל מעל ל-4,000 מעלות צלזיוס. החום האדיר יוצר פלזמה – מצב צבירה מיוחד של אטומים טעונים במטען חשמלי – כפי שמתרחש גם כשברק מפלח את האוויר במהלך סערה. בדומה לברק, גם הפלזמה שיוצר הנקשן פולטת הבזקי אור.

במחקר שנערך באוניברסיטת טקסס A&M בארצות הברית גידלו מדענים נקשן באקווריום במשך חודשים ואספו מעת לעת את מעטפת הצבת שנושרת באופן טבעי כדי לחקור את צורתה בלי לפגוע בנקשן. הם מיפו את צורת הצבת באמצעות דימות CT (מעין רנטגן תלת-ממדי) בהגדלה גבוהה, במטרה ללמוד את המנגנון שלה. הם גילו שמפרק הצבת בנוי כאצבע שתקועה בתוך מגרעת, ושרירים חזקים יוצרים בה מתח עד שהצבת נטרקת במהירות רבה. על פי השערת החוקרים, במהלך האבולוציה קיבלה הצבת צורה שמעצימה את המיעור בכיוון מסוים וכך פעולתה התייעלה.

על פי המיפוי של נשלי הצבתות הכינו החוקרים דגם של הצבת בהדפסת תלת-מימד, והחליפו במתקן שיצרו את שריר הצבת בקפיץ פיתולי, שדומה לזה שנמצא במלכודות עכברים. לאחר מכן הם בחנו את תפקוד הצבת המלאכותית באמצעות מצלמת וידאו מהירה שמצלמת 60 אלף תמונות בשנייה. נמצא שהצבת נעה במהירות של כ-70 קמ"ש ומשגרת זרם מים שמהירותו מגיעה ל-130 קמ"ש, ונראות בו בבירור בועות מיעור שמתנפצות ויוצרות גלי הדף. חיישנים רגישים זיהו הבזקי אור שמלווים את תהליך ההתנפצות – ראיה להיווצרות פלזמה במהלך טריקת הצבת המלאכותית.

הפקת הפלזמה מתחת לפני המים בעזרת הצבת המלאכותית נמצאה יעילה יותר משיטות קיימות אחרות, המבוססות בעיקר על יצירת מתח חשמלי גבוה או שימוש בלייזר. פלזמה יכולה לשרת במים שורה של שימושים – למשל מנגנון לטיהור מים מחיידקים, או טיפול רפואי במחלות עור וחיטוי של פצעים פתוחים וכוויות. המחקר הזה הוא דוגמה מעניינת לביומימטיקה – פיתוח טכנולוגיות שמחקות מנגנונים וחומרים ייחודיים המצויים בעולם החי והצומח, על מנת לרתום לצרכי האנושות שיטות מתוחכמות שהתפתחו בטבע במהלך האבולוציה.