הכל בגלל אטם קטן: על קור, חום, תכונותיו של גומי, ואסון מעבורת החלל הצ'לנג'ר / איתן בן נתן

טמפרטורות קרות במיוחד ששררו באתר השיגור של מעבורת החלל, גרמו לתפקוד לקוי של אטמי הגומי בטילי ההאצה, עד כדי פריצה של גזים לוהטים שגרמו לפיצוץ המעבורת לאחר שיגורה

בתאריך 28 לינואר, 1986, המריאה מעבורת החלל הצ'לנג'ר מבסיסה שבקייפ קנברל שבפלורידה כשעל סיפונה שבעה אנשי צוות (תמונה 1). זו הייתה המראה שגרתית למדי עבור מעבורת החלל שהייתה בדרכה למשימה העשירית שלה. משימה שהתבררה כמשימתה האחרונה. יום זה היה קר במיוחד בכל קנה מידה (מינוס 7 מעלות צלזיוס), לבטח כאשר מדובר על הטמפרטורות בפלורידה. למעשה, הטמפרטורות הקרות באותו שבוע כבר גרמו לדחייה של יממה במועד ההמראה (ההמראה המקורית תוכננה ל-27 בינואר).

73 שניות בלבד אחרי השיגור, כאשר היא נמצאת בגובה של 16 ק"מ מעל הקרקע, כדור אש עצום אפף את המעבורת, והיא צללה, מתפרקת, למי האוקיינוס האטלנטי. כל שבעת אנשי הצוות מצאו את מותם באסון.

מה גרם לאסון הצ'לנג'ר

בחינה מדוקדקת של השידור החוזר של שיגור המעבורת, מלמדת על בריחת גזים לוהטים מטיל העזר של הצ'לנג'ר, גזים אשר גרמו לחימום מיכל הדלק הנוזלי של המעבורת עד שהביאו לפיצוצו. החקירה העלתה שהסיבה לבריחת הגזים מטיל ההאצה הייתה שימוש באטמי גומי, אשר תכונותיהם לא התאימו לתנאי השיגור באותו יום קר. מהבדיקה עלה שהגומי בו השתמשו ליצירת האטמים לא היה לקוי, אלא שתכונותיו לא אפשרו לו לתפקד כראוי בתנאי הקור הקיצוניים. נראה היה כי לא הייתה התחשבות מספקת בגבולות טמפרטורת המעבר הזכוכיתי של הגומי ששימש ליצירת האטמים.

מה היא טמפרטורת מעבר זכוכיתי?

טמפרטורת מעבר זכוכיתי היא אותה נקודה בה מוצק אמורפי עובר ממצב מוצק למצב רך בו הוא ניתן לעיבוד (במקרה של הגומי, טווח הטמפרטורות בו המתיחה האלסטית שלו מתנהגת כצפוי). מתחת לטווח הטמפרטורות הגומי הופך לנוקשה (זכוכיתי ושביר), מעל לטווח הטמפרטורות הגומי הופך לרך מדי. האלסטומרים (פולימרים שיש להם תכונות הן של צמיגות, והן של אלסטיות) מהסוג ששימש לייצור של אותם אטמים שהורכבו על טילי ההאצה של מעבורת החלל, עוברים שורת מבחנים בהם נבדקים גבולותיהם, כולל גבול טמפרטורת המעבר הזכוכיתי.

ניתן לראות בגרף בתמונה מספר 2 שכאשר הטמפרטורה נמוכה מרף המינימום (Tg) הגומי מגלה תכונות של קשיחות, מעל לאותו רף ישנו תחום (מעבר) בו רמת הקשיחות יורדת עד להתייצבותה בתחום בו הגומי מפגין את התכונות האלסטיות המתבקשות.

תפקיד האטמים בטיל ההאצה

על טיל ההאצה של הצ'לנג'ר הותקנו אטם O-ring בסיסי ואטם O-ring חלופי כפי שניתן לראות בתמונה 3.

מטרת האטמים הייתה למנוע בריחה של גזים ושל חלקיקים לוהטים מטיל ההאצה, בנקודות החיבור בין חלקי הטיל. האלסטיות של האטמים תוכננה כדי להכיל את הגזים. לחץ הגזים הלוהטים היה מרחיב את האטמים, ובכך הייתה נוצרת אטימה המונעת דליפה שלהם. כדי להגביר את הבטיחות הותקנו 2 אטמים: האטם הראשי, ואטם הגיבוי.

הכשלים שגרמו לאסון המעבורת

הכשל הראשון התחיל כאשר רצועת החיזוק החיצונית זזה ממקומה בעקבות הלחץ של הצתת טיל ההאצה, מה שגרם להרחבת הרווח שבין דופן הפלדה לבין שכבות הבידוד. בנקודה זו תכונותיהם האלסטיות של האטמים היו אמורים לגרום להם להתרחב ולמנוע פגיעה בדופן הפלדה. זה לא היה המצב. הגזים מילאו את הרווח שנוצר בין דופן הפלדה ובין שכבות הבידוד, מה שיצר תגובת שרשרת: הלחץ הלך וגדל, הטמפרטורה טיפסה במהירות, והאטמים נשחקו. את התוצאות של אותה שחיקה ניתן לראות בבירור בתמונות 4 ו-5.

תמונה 4: הקרע שנוצר בגוף טיל ההאצה בעקבות כשל האטמים, ודליפת הגזים הלוהטים.

האשמה בקריסת האטמים תחת לחץ הגזים הלוהטים במהלך אותו שיגור גורלי הייתה הטמפרטורה. לא, לא הטמפרטורה הלוהטת של הגזים, אלא טמפרטורות הקיפאון ששררו באותו היום (תמונה 6). אם השיגור היה מתנהל ביום פחות קר, סביר להניח שהאטמים היו מתפקדים כהלכה. העובדה שהשיגור התנהל ביום קפוא, היא שביטלה את תכונותיהם של האטמים ואת יכולתם לבצע את תפקידם כראוי. גם אטם הגיבוי היה נתון לאותן מגבלות פיזיקליות של טמפרטורת המעבר הזכוכיתי ובכך כשל גם הוא במשימתו.

ערב המשימה, מהנדסי MTI (החברה שייצרה את האטמים עבור NASA) המליצו לפיקוח המשימה לדחות את השיגור. הטמפרטורה הצפויה הייתה פחות מ-10 מעלות צלזיוס, והם חששו לשלום האטמים. המפקח על המשימה (לארי מולוי) קיבל החלטה להמשיך עם השיגור כרגיל. מולוי, מהנדס שהתמחה בדלק טילים מוצק, חרג מהפרוטוקול בכך שבמקום לאמץ את גישת ה"יש ספק, אין ספק", בחר לדרוש ממהנדסי MTI הוכחה לכך שיהיה כשל. בהיעדר הוכחה שכזו הלחץ הפוליטי הכריע, והוחלט להמשיך עם השיגור המתוכנן.

בחקירה אחרי האירוע הטרגי התברר שניתן היה למנוע את האסון. שנה קודם לכן, ב-24 בינואר 1985, גם כן ביום קריר, זיהו מהנדסי NASA שיש בעיה עם האטמים. בדיקות מעמיקות גילו שהפולימר ששימש לייצור האטמים חוצה את רף טמפרטורת המעבר הזכוכיתי כאשר הטמפרטורה נמוכה מ-10+ מעלות צלזיוס.

ריצ'רד פיינמן, זוכה פרס נובל לפיזיקה ב-1965, שהיה חלק מוועדת הבדיקה שהוקמה אחרי האסון סיכם: "עבור טכנולוגיה מוצלחת, המציאות חייבת לגבור על יחסי ציבור – לא ניתן להתל בטבע".

בדיעבד, מה היו הפתרונות האפשריים לכשלים?

בין הפתרונות האפשריים לכשלים אלה ניתן למנות: שימוש בפולימר אחר או בתערובת גומי אחרת ושימוש בגומי סינתטי הניחן באותן תכונות של עמידות לחום, אבל גם בתכונות המאפשרות לו מנעד רחב יותר של טמפרטורת מעבר זכוכיתי.

לקח חשוב נוסף אותו אפשר להפיק מהאסון המצער, הוא שחיוני להתחשב בידע הנצבר של מהנדס גומי בעל ניסיון. כיום, מהנדסי המכונות יודעים, שבבואם להשלים את מלאכת התכנון של מוצר חדש, הם זקוקים למיומנות של מומחה בתערובות גומי, כדי לבחור את חלק הגומי המתאים לאפליקציה של מוצרם החדש. הסיבה היא, שהספרות המקצועית לבדה לא מסוגלת לתת מענה מלא לתכנון שכזה. תערובות גומי זקוקות ל"מתכונים" מיוחדים, כאלו שרק החברות המנוסות ביותר מסוגלות לספק. הידע המצטבר בתכנון תערובות גומי שייתנו מענה אופטימלי לצרכי הלקוח כולל את: בחירת החומר האלסטי הנכון, בחירת הפילר שיאפשר למוצר המוגמר את התכונות הנדרשות, הגיפור הנכון שבסיומו יתקבל מוצר שיהיה בעל תמהיל תכונות ועמידויות אופטימלי למוצר המתוכנן, ואת ההיכרות הנדרשת עם תכונותיו המשתנות של הגומי (טבעי, סינתטי, ומה שביניהם).

לחברת קצב מוצרי גומי טכניים יש כמעט 60 שנה של ניסיון בייצור מוצרים מותאמים אישית, ממגוון רחב של תערובות גומי טבעי וסינטטי, אשר פותחו במעבדת המפעל ועברו את הבדיקות המחמירות ביותר, או, לחילופין, מתערובות מיוחדות הכוללות סיליקון, פלורוסיליקון, וכן פוליאוריטן אלסטומרי, המיובאות מיצרנים מתמחים.

הידעת?

על גומי טבעי, גיפור וצ'ארלס גודייר

כולנו מכירים את השימושים הכמעט אינסופיים שיש לגומי במגוון תעשיות. את הגומי ניתן לחלק לשני סוגים: טבעי וסינטטי. הגומי הטבעי מופק משרף של עץ מזן "הוואה ברזילאית" שמקורו ביערות הגשם בדרום אמריקה.

אולם, גם אם דרך פלא נצליח לגדל בחצר האחורית את אותו עץ טרופי שהשרף שלו הוא חומר הגלם לגומי, לא נצליח להשתמש באותו הגומי. עבודה עם השרף תביא אותנו לתרכובת לא שימושית וריחנית במיוחד.

הגומי הטבעי במצבו הגולמי שונה לגמרי ממוצר הגומי שאנו מכירים: הוא שביר בקור, וכאשר הטמפרטורה מגיעה לרמות חמסין ארץ ישראלי, הוא הופך לדביק ובלתי שמיש. בעייתית יותר היא העובדה שאחרי חשיפה של מספר ימים לחמצן, תרכובת הגומי מתחילה להתפרק, ובדרך משחררת ריח עז שרחוק מלהיות נעים.

אז איך בכל זאת הגומי הפך לחלק בלתי נפרד מהתעשייה בעולם?

תהליך הגיפור!

בתהליך הגיפור יוצרים תרכובת חדשה של גומי וגופרית בחום עז. התהליך הופך את הגומי הטבעי לעמיד בחום, שומר על גמישות בקור, וחשוב יותר – בר שימוש גם אחרי חשיפה לחמצן.

התודה להמצאת הגיפור מגיעה לצ'ארלס גודייר, שהאגדה מספרת ששכח בכבשן כבוי (וחם) תערובת של גומי וגופרית במשך הלילה. והשאר היסטוריה.

ובדרך אגב,

אם כבר הזכרנו את גודייר? על שמו נקראת חברת הצמיגים שהלוגו שלה מעטר את הצפלינים המרחפים מעל כל אירוע ספורט משמעותי בארה"ב.

הידעת?

על ככפות מלטקס, ניטריל ואלרגיות

עידן זה, בו השימוש בכפפות גומי נרחב יותר מאי פעם, מהווה הזדמנות טובה לדבר מעט על לטקס וניטריל.

את הלטקס כולנו מכירים היטב. מדובר בגומי טבעי המופק מעצים, פולימר אלסטי המורכב מתת יחידות של איזופרן. הלטקס אשר משמש מרכיב מרכזי בייצור כפפות, בגדים, וקונדומים, סובל מבעיה אחת מהותית – אלרגיות. היות ומקורו הוא שרף עצים, יש לא מעט באוכלוסייה הסובלים מתגובה אלרגית במגע עם הלטקס.

אז מה התחליף?
התחליף הפופולרי ביותר הוא גומי הניטריל. מעבר לעובדה שהוא לא אלרגני, גומי הניטריל פופולרי מאוד לאור עמידותו המרשימה למוצרי פטרוליום. בנוסף, טווח הטמפרטורות לו הוא עמיד רחב במיוחד: בין מינוס 30 מעלות צלזיוס ולבין 100 מעלות צלזיוס.
על תכונות הניטריל:

הניטריל הוא קופולימר המורכב מבוטאדיאן ואקרילוניטריל. ככל שחלקו של האקרילוניטריל בקופולימר גבוה יותר, העמידות של גומי הניטריל למוצרי פטרוליום וטמפרטורות גבוהות, עולה. החיסרון הוא שיחס כזה פוגע בגמישותו של גומי הניטריל בטמפרטורות נמוכות. הניטריל מספק עמידות מצוינת לדחיסה, קרע, ושריטות. בנוסף, גומי הניטריל פגיע לאוזון ולמזג האוויר, לצד העמידות הבינונית (יחסית) שלו לטמפרטורות גבוהות.
לכן, בפעם הבאה שאתם סובלים מאלרגיה ללטקס, תחשבו ניטריל!

 

מקורות מידע:

• אתר נשיונל ג'יאוגרפיק
• האתר הרשמי של NASA, מנהל האווירונאוטיקה והחלל הלאומי של ארה"ב.

תמונות: ויקיפדיה

על הכותב:

איתן בן נתן מכהן כמנכ"ל קצב מוצרי גומי טכניים

ליצירת קשר ומידע נוסף ניתן לפנות לגיא רוזן, [email protected]