המגן של קפטן אמריקה: בדיקת מציאות
Image credit: Marvel.com [Fair Use]
נעה לכמן
מבחן ראשון: ממה זה עשוי?
על פי הסרטים של חברת מארוול, בשנות ה-40 של המאה הקודמת נתן הממציא הגאון הווארד סטארק לסטיב רוג'רס, קפטן אמריקה, לבחור מגן מבין כמה דגמים אפשריים. הדגם הנבחר הוא אב-טיפוס עשוי מהיסוד הדמיוני ויברניום (Vibranium) – אותה מתכת שעל פי גרסת הספר של "איירון מן 2" הבן של הווארד, טוני סטארק (הידוע כ"איירון מן"), ישתמש בה כמקור כח בלתי-מזהם לחליפה שלו. על פי הקומיקס, המגן העגול הוענק לקפטן אמריקה על ידי נשיא ארצות הברית פרנקלין דלנו רוזוולט והוא עשוי סגסוגת של פלדה מיוחדת (ודמיונית) המכונה "פרוטו-אדמנטיום", עם ויברניום, ועוד גורם לא ידוע.
בדיקת מציאות: ויברניום הוא יסוד שמקורו חוצני, הוא הגיע לכדור הארץ כאשר מטאוריט העשוי ממנו התרסק בווקאנדה, וכן אפשר ליצור אותו באופן מלאכותי (אם נאמין לספר "איירון מן 2" טוני סטארק מסנתז אותו מיסודות אחרים). כיוון שויברניום לא מופיע בטבלה המחזורית המוכרת לנו – מדובר ככל הנראה ביסוד כבד במיוחד. כל היסודות הטראנס-אורניים (כלומר, אלה שנמצאים מעבר לאורניום בטבלה המחזורית) הם אכן מתכות ואכן לא קיימים בטבע, אבל חשוב לציין שהם תמיד רדיואקטיביים. הם גם הופכים פחות ופחות יציבים ככל שמשקלם האטומי עולה: למשל, זמן מחצית החיים של פרמיום (מספר 100 בטבלה המחזורית) הוא כשלושה חודשים ושל רנטגניום (מספר 111) 26 שניות. נכון שמשנות ה-60 מקובל על המדענים כי ייתכן מֵעֵבֶר ליסודות אלה "אי של יציבות", שבו ליסודות כבדים ביותר יש זמן מחצית חיים ארוך יחסית המאפשר להם להחזיק מעמד זמן רב, אבל החישובים התיאורטיים חוזים כי הגבול העליון למספר אטומי יציב הוא 173, ו-"זמן רב" בהקשר הזה הוא בסדר גודל של שניות. כך שגם אם "ויברניום" אכן אפשרי, ייצורו ידרוש מאיצי חלקיקים בטכנולוגיה מתקדמת מזו הקיימת כיום.
אגב, מאיצי חלקיקים הם לרוב מתקנים תת קרקעיים אדירים (ראו את המאיץ המפורסם של סרן ואת מאיץ החלקיקים בגרנובל). תידרש טכנולוגיה מתקדמת באמת כדי ליצור מאיץ חלקיקים המסוגל לפעול בהצלחה ובבטחה בחדר בודד, כמו זה שבו השתמש טוני סטארק.
אז ויברניום הוא לא חומר גלם זמין למגן שלנו, לפחות בעתיד הקרוב. מה כן?
במאמר חביב במגזין Wired הפיזיקאי רט אליין (Allain) מנצל את העימות הסופי של קפטן אמריקה עם חייל החורף כדי לחשב את המשקל המשוער של המגן המופיע בסרט. הוא מגיע לצפיפות חומר שהיא משהו בין ברזל לטיטניום, אז אפשר להניח שמדובר בגרסה מתוחכמת של פלדה (הנחה סבירה, לאור העובדה שבכל פעם שקפטן אמריקה מאבד את המגן שלו – ונחזור לזה מאוחר יותר – הוא משתמש בתחליפים מפלדת אל-חלד). כמה רחוק תיקח אותנו ההנחה הזאת בדרך לייצור המגן?
מבחן שני: החומר הזה עומד בדרישות?
קצת בליסטיקה בסיסית: כדי לעשות חור, צריך לרכז כמה שיותר אנרגיה על כמה שפחות שטח. בגלל זה קליעים הם לרוב מחודדים ומאוד מהירים – כדי לרכז הרבה אנרגיה קינטית על מעט שטח. קרני לייזר (כמו בפרויקט ה"נאוטילוס") הן למעשה אנרגיה אלקטרו-מגנטית מרוכזת (בניגוד לאור רגיל שמתפזר לאלומה חרוטית – רדיוס של קרן לייזר נשאר דומה לכל אורכה), כך שהעיקרון דומה. מגנים ושריונות, מצידם, אמורים לפזר את האנרגיה הפוגעת על פני כמה שיותר שטח, כך שבשום נקודה לא תהיה מספיק אנרגיה כדי ליצור נזק ממשי.
מתכות עושות עבודה טובה בתחום הזה: אטומי מתכת לרוב מסודרים במבנה גבישי, כלומר מבנה בעל סימטריה מחזורית ומוגדרת הנובעת מאופי החלקיקים. אבל במקום ליצור גביש מסודר אחד, האטומים יוצרים המוני גבישים קטנטנים, שמתלכדים לכדי מוצק אחד גדול. האטומים בגבול בין הגבישים הקטנטנים יכולים "להחליט" לאיזה גביש הם שייכים, ולעבור מסידור של גביש אחד לסידור של גביש אחר – אם יש להם מספיק אנרגיה למעבר. באופן כזה האנרגיה מתפזרת בין גבולות הגבישים. נוסף לכך, הגבישים עצמם לא תמיד מושלמים – יש אטומים שנמצאים במקום שהם לא צריכים להיות בו, יש חורים במקום שאטומים כן צריכים להיות בו (לפעמים חצי שורה חסרה), יש "אי נקיונות" – אטומים שהם בכלל לא מהסוג של המתכת הזאת, או מתכת בכלל. כשמספקים למתכת אנרגיה, לרוב היא יכולה "לארגן את עצמה" מחדש – להזיז אטומים, לדחוק אטומים זרים החוצה, וכולי. כך שיש מספר דרכים שבהן מגן פלדה יכול לפזר אנרגיה שפוגעת בו.
דרכי פיזור אלו נובעות ממבנה הפלדה. אף שמקובל לחשוב על פלדה כעל סגסוגת ברזל ופחם, למעשה מדובר בחומר מרוכב, כלומר חומר הבנוי ממספר חומרים שונים, בעלי תכונות שונות, ששילובם יוצר חומר עם תכונות משופרות. החומרים השונים לא יוצרים תרכובת חדשה אלא שומרים על זהותם. עיסת נייר, עץ לבוד (דיקט) ובטון הם דוגמאות לחומרים מרוכבים מוכרים. בפלדה, הברזל שסביב גרגרי הפחם (כמות קטנה ביותר של פחם – פחות מאחוז משקלי) מגיב איתו ויוצר חלקיקים של חומר קרמי הקרוי צמנטיט (קרביד-הברזל, Cementite – Fe3C), כך שמדובר למעשה בחלקיקים קרמיים בתוך מאגד מתכתי. "פלדה דמשקאית" – אותו חומר ממנו עשויות החרבות האגדיות שהצלבנים נתקלו בהם במסע לארץ הקודש (ולכן נקראת "דמשקאית", אף שמקורה בכלל מהודו) – מכילה ננו-מוטות של צמנטיט (בערך אחוז וחצי משקלי של פחמן). כיוון שכך, החרבות הנוצרות ממנה הן קשיחות דיין לחתוך (האגדה מספרת שהן חדות כל כך, שהן יכולות לחתוך צעיף משי בנפילתו לקרקע), אבל גם גמישות דיין לא להשבר כשהן פוגעות במגן או בשריון – חשיבותו של פיזור אנרגיה. חומרים מרוכבים הם טובים במיוחד בספיגת אנרגיה: מעבר האנרגיה בין החומרים השונים הוא לעולם לא מושלם, כך שיותר מנגנוני פיזור נכנסים לפעולה – האגדות על ספר התהילים שעוצר קליע הן פשוט דוגמה לחומר שמורכב משכבות של נייר ואוויר. פנקס טלפונים היה עובד באותה מידה (ואולי גם סמארטפון, אבל לא חבל על הכסף?)
Image from The Invincible Iron Man #64 (409) by Mike Grell and Alan Davis (1998-2004). Release Date: March 02, 2003. Image credit: Marvel.com [Fair Use]
זוכרים את ההערה על התחליפים למגן? בדרך כלל קפטן אמריקה צריך תחליפים מאחר שהמגן אבד ולא מאחר שהוא נפגע או נהרס. בחזון בסרט "הנוקמים: עידן אולטרון" המגן נשבר (משהו שאולי יקרה באחד משני החלקים של הסרט "הנוקמים: מלחמת האינסוף"), ובקומיקס יש רק חמישה דברים ביקום שיכולים ממש להרוס את המגן הזה: יכולתו של "מולקול מן" לפרק חומר, הכוחות האלוהיים ש"דוקטור דום" גונב מהישות הקוסמית "הביונדר", "כפפת האינסוף" האהובה על ת'נוס, וכוחותיהם האלוהיים של אודין ושל סרפנט. באופן מפתיע, פטישו של ת'ור הוא לא אחד מהם.
האם יש פיתרון אחר?
מאמר חביב מציע את האפשרות שהמגן של קפטן אמריקה לא מפזר את האנרגיה עד שהיא חסרת יכולת חדירה, אלא פשוט אוגר אותה לשעת הצורך (למשל, כדי לשגר עמיתים לגובה). היכולת לאגור אנרגיה רבה במהירות היא תחום התמחותם של קבלי העל (שם קליט לקבלים אלקטרוכימיים): קבלים אלקטרוסטטיים ("קבל לוחות") אוגרים ומשחררים אנרגיה חשמלית במהירות רבה, אך אינם יכולים לאגור כמויות גדולות. סוללות ותאי-דלק, לעומתם, אוגרים כמויות גדולות של אנרגיה אלקטרוכימית, אך אינם יכולים לעשות זאת במהירות. קבלי העל, המבוססים על תגובה אלקטרוכימית הפיכה בין נוזל יוני לאלקטרודות מוצקות, הם במקום טוב באמצע – מהירים יותר מסוללות, ובעלי קיבולת גדולה יותר מקבלים אלקטרוסטטיים. הבעיה היחידה בתאוריה הזאת היא שקבלי העל (וקבלים בכלל) אוגרים אנרגיה חשמלית, ולא קינטית. ויברניום, כמצופה משמו, ככל הנראה ממיר את האנרגיה הקינטית לאנרגיה פוטנציאלית, בדומה לקפיץ. עם זאת, בניגוד לקפיץ, ויברניום אוגר את האנרגיה בקשרים שבין האטומים (פיסיקאים אוהבים להמשיל קשרים כאלה לקפיצים) ולא כל-כך פשוט לעשות זאת בחומרים אמיתיים.
אז איפה אנחנו עומדים?
במבט ראשון, המגן הזה נראה כמו מדע בדיוני – עשוי מחומר שלא קיים, בעל יכולות בלתי ניתנות לשחזור. במבט שני – כבר היו נסיונות לפתח חומרי מבנה עם יכולת של קבל (חשבו כמה יעילה יותר תהיה המכונית המשפחתית, אם המצבר יהיה חלק מהשלדה), והנסיונות האלה לרוב אכן מתבססים על חומרים מרוכבים. אז מי יודע?
על המחברת
ד"ר נעה לכמן היא בעלת תואר דוקטור לפילוסופיה (Ph.D) מהמחלקה לחומרים ופני שטח של מכון ויצמן למדע, וסיימה לאחרונה פוסט-דוקטורט במחלקה להנדסת אווירונאוטיקה וחלל של המכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס.
למידע נוסף
"המסתורין של להבי דמשק" מתוך סיינטיפיק אמריקן (אנגלית) [PDF]
אגירת אנרגיה [PDF]
תגובה אחת ל-“המגן של קפטן אמריקה: בדיקת מציאות”
עקבו אחרי ב:
פרופילים אישיים, לא רק על מדע
תיבת נעם - מחשבות ביולוגיות 
מצחיק, בדיוק היום ראיתי את הסרט החדש "קפטן אמריקה מלחמת אזרחים" ובאחד הקרבות מישהו (שלא אסגיר את שמו מחשש לספוילר) אומר לקפטן משהו בסגנון "אני לא חושב שהמגן שלך פועל על פי חוקי הפיזיקה" כשהוא מתייחס דווקא לאיך הקפטן זורק את המגן שפוגע באנשים/עצמים ואז חוזר אל הקפטן, כמו בומרנג.
בכל אופן, מאמר מעניין ומהנה, תודה.
אהבתיאהבתי