הזכוכית המסורתית החלה את דרכה בחול הים, אך בשנים האחרונות יודעים איך לייצר אותה אפילו ממתכות. אולי זה יהיה הפתרון שיאפשר לנו לכבוש את החלל באמצעות רובוטים זולים "אנושיים"
ב-26 ביולי 1971 נחתה על הירח החללית אפולו 15. שני האסטרונאוטים שנחתו על הירח, דיוויד סקוט וג'יימס אירווין, היו מצוידים בפעם הראשונה ברכב ירח ממונע. הרכב החשמלי, שבנתה חברת בואינג בעלות של 38 מיליון דולר, איפשר לאסטרונאוטים לנסוע מרחקים גדולים על פני הירח ולאסוף דגימות עפר מגוונות ממקומות רבים. על רכב הירח הרכיבו רובוטים כמעט אנושיים – בעלי זרועות, מפרקים ומצלמות.
מאז ועד היום, רובוטים "אנושיים" כאלה משמשים את נאס"א במשימות חלל רבות. אחד הרכיבים המרכזיים במפרקים שלהם היא מערכת ייחודית של גלגלי שיניים, העשויים בדרך כלל מפלדה, שמאפשרת לרובוט לנוע בצורה דומה מאוד לתנועה האנושית. בזכות המערכת הזו, רכבי החלל יכולים לבצע משימות מחקר רבות, כמו קידוח ואיסוף דוגמאות עפר, ללא צורך בנוכחות אנושית.
בדומה לסחוס במפרקים האנושיים, מפרקים רובוטיים צריכים חומרי סיכה מפחיתי חיכוך שיאפשרו להם לפעול בצורה חלקה בלי לשחוק את המפרקים. כדי שהחומרים האלה יתפקדו בטמפרטורות הקיצוניות השוררות בחלל (על הירח, לדוגמה, הטמפרטורות יכולות להגיע עד ל-150 מעלות צלזיוס מתחת לאפס), יש להשקיע אנרגיה רבה בחימום חומרי הסיכה הללו.
הצורך בחימום מתמיד של חומרי סיכה, ועלויות הייצור הגבוהות של גלגלי השיניים, יוצרים צורך קריטי בפיתוח חומרים חדשים לייצור מפרקים רובוטיים. הצורך הופך מהותי אף יותר במיוחד כשמוסיפים למשוואה משימות מתוכננות ליעדים קפואים במיוחד, כמו אירופה – אחד הירחים של צדק.
פריצת דרך כזאת בדיוק השיגה לאחרונה קבוצת מהנדסים מנאס"א, המכון הטכנולוגי של קליפורניה (CalTech) ואוניברסיטת סן דייגו. הם הצליחו לבנות גלגלי שיניים מ"זכוכית מתכתית", שבין שלל יתרונותיהם אינם זקוקים לחומרי סיכה. לדברי מוביל המחקר, דאגלס הופמן (Hofman), הם יכולים לעבוד אפילו כשהם "יבשים וקרים". עמיתו פיטר דילון מוסיף שבעקבות הפיתוח החדש "אין צורך יותר לשאוב אנרגיה מהמכשור המדעי כדי לחמם את גלגלי השיניים".
מיסב המשמש במפרקים רובוטיים. למעלה: הזכוכית המתכתית בתהליך הייצור | צילומים: NASA/JPL-Caltech
"החלונות משבדיה, הזכוכית מנירוסטה!"
הבסיס לפיתוח המהפכני של הופמן וחבריו הוא חומר חדש יחסית המכונה "זכוכית מתכתית". הזכוכית הרגילה שאנו מכירים מורכבת בעיקר מצורן חמצני (SiO2), שנמצא בריכוז גבוה בחול. אולם זכוכית מוגדרת לפי האופן שבו האטומים מסודרים בחומר, ולא לפי סוג החומר שמרכיב אותה. בעוד אטומים בנוזל נעים בחופשיות רבה, ואילו אטומים במוצק כמעט אינם זזים ומסודרים במבנה גבישי, אטומים של חומר זכוכיתי אינם זזים, אך גם אינם מסודרים בגביש. חברי שלישיית "הגשש החיוור" אולי לא היו מודעים לכך כשדיברו על חלונות משבדיה וזכוכית מנירוסטה, אך להלכה בהחלט אפשר ליצור זכוכית מנירוסטה.
כדי להבין איך אפשר לייצר זכוכית ממתכת, חשוב להבין קודם כל את הבסיס לייצור זכוכית "רגילה". תהליך הייצור של זכוכית מתחיל בהמסה של צורן חמצני עם חומרים נוספים בטמפרטורה של כמעט 2,000 מעלות צלזיוס. לאחר שמעצבים את התערובת לצורה הרצויה, מקררים אותה בקצב של כמה עשרות מעלות צלזיוס בשנייה. במהלך הקירור אטומי הסיליקון החמצני נשארים בצורה לא מסודרת, וכך נוצרת זכוכית.
ב-1960 דיווחה לראשונה קבוצת חוקרים מהמכון הטכנולוגי של קליפורניה על יצירת זכוכית ממתכות. עקרונות תהליך הייצור דומים לזכוכית רגילה, אולם האתגר העיקרי היה שאטומי מתכת נוטים להסתדר מהר במיוחד במבנה מוגדר. כדי להתגבר על כך, לאחר שהמיסו מתכת בטמפרטורות גבוהה קיררו החוקרים את הנוזל בקצב של מיליון מעלות לשנייה, וקיבלו חומר מתכתי שהאטומים שלו אינם מסודרים, ונקרא "זכוכית מתכתית".
החומר שהתקבל היה דומה למתכת מבחינת ההרכב הכימי שלו, אך תכונותיו המכניות היו משופרות. הסדר המופתי של אטומי מתכת מוביל בדרך כלל לבעיה רצינית: באופן מקומי אטומי מתכת מסודרים היטב במשטחים, אך נקודות המעבר בין המשטחים הרבים שמרכיבים חתיכת מתכת יכולות להפוך לנקודת מוצא נהדרת לשבירה של המתכת ולהיווצרות חלודה. במתכת זכוכיתית, בהיעדר מבנה מסודר אין גם נקודות תורפה בחומר, מה שמחזק את המתכת ומעניק לה עמידות גבוהה יותר מחלודה ומחום.
בשל הצורך בקירור מהיר המסבך ומייקר את הייצור, זכוכיות מתכתיות שימשו בתחילה בעיקר כציפוי לציוד קידוח וצינורות. במשך השנים, שיפורים טכנולוגיים אפשרו ליצוק זכוכיות מתכתיות בעובי של כמה סנטימטרים, בקצבי קירור של 100-1 מעלות בשנייה, בדומה לזכוכית רגילה. בזכות פריצות הדרך הללו, בעשור האחרון יוצרו מזכוכית מתכתית גם מוצרים יומיומיים יותר כמו אלות בייסבול, מחבטי טניס וגולף, ציוד צלילה, וכאמור חלקים של מפרקים מלאכותיים ולוחות שהורכבו על החללית "ג'נסיס" לאיסוף רוחות שמש.
השמיים אינם הגבול
אם כן, בעשור האחרון הולכים ומתרבים השימושים של זכוכית מתכתית בכדור הארץ, אך עד כה היא שימשה בעיקר ליצירת משטחים פשוטים, ללא צורך בדיוק מבני גבוה. במחקר החדש הצליחו הופמן ועמיתיו לצקת לראשונה גלגלי שיניים מורכבים מאוד מזכוכית מתכתית, עבור מפרקים של רובוטים "אנושיים". גלגלי השיניים הזכוכיתיים קשים יותרף חזקים יותר ועמידים יותר מגלגלי שיניים מפלדה. החוקרים הראו גם שגלגלי השיניים הללו עמידים בטמפרטורות מאוד נמוכות, וכאמור הם אינם זקוקים לחומרי סיכה למניעת שחיקה. שתי התכונות האלה יכולות להיות מועילות מאוד בבואנו לחקור אזורים קפואים בחלל.
פריצות דרך טכנולוגיות מלוות לא פעם בקשיים להעביר אותן מהמעבדה לפס הייצור התעשייתי. לא כאן. צוות החוקרים ייצר לא רק אבטיפוס של החומר בתנאי מעבדה, אלא גם גלגלי שיניים בתנאים תעשייתיים, בעלויות נמוכות יותר משיטות הכרסום המקובלות כיום לייצור גלגלי שיניים מפלדה.
את תרומתו המכריעה של המחקר מסכם הופמן: "ייצור תעשייתי של גלגלי השיניים הייחודיים מזכוכית מתכתית בכמויות גדולות עשוי להשפיע מהותית על שוק הרובוטיקה כולו. זה נכון במיוחד עבור רובוטים אנושיים, שגלגלי השיניים במפרקיהם עלולים להיות יקרים מאוד, אך הם חיוניים למניעת רעידות. היכולת לפעול בטמפרטורות נמוכות ברכבי חלל של נאס"א נראית תוספת משמחת מאוד".
