שומרים על חיסוני הקורונה – התנהגות החומרים הפלסטיים בטמפרטורות קרות / עפר שורק

החיסונים נגד הקורונה כבר כאן, אולם הפצתם ברחבי העולם מציבה אתגר לוגיסטי לא פשוט. הם מצריכים הובלה ואחסון בטמפרטורות נמוכות במיוחד. לחומרים הפלסטיים, ותכונותיהם בטמפרטורות קריוגניות, תפקיד חשוב בשמירה עליהם

הידיעה שחברות מודרנה ופייזר הצליחו לפתח חיסונים נגד וירוס הקורונה עם יעילות מוכחת ובמהירות שיא היא לכל הדעות סיבה לחגיגה. היא מסמלת את היכולת האנושית לחדשנות ומהירות תגובה אל מול איומים קטלניים. אז למה אנחנו עדיין מודאגים? הבעיה היא שמדובר בהישג שרק שבריר מאוכלוסיית העולם יכול להנות ממנו. על מנת לשמור על יציבות, יש לאחסן את החיסון של פייזר בטמפ' של מינוס 70 מעלות בציוד. את החיסון של מודרנה ניתן לשמור בטמפ' של מקפיא ביתי ממוצע (מינוס 20). הצורך בשתי מנות נפרדות מעמיד גם הוא אתגר לוגיסטי (תמונה 2).

מה זו טמפרטורה קריוגנית?

קְרִיוֹגֶנִיקָה עוסקת בחקר התופעות שמתרחשות בטמפרטורות נמוכות. מקורה מיוונית ומשמעותה "התוצר של קיפאון". שתי חומרי קירור נפוצים בקירור קריוגני: חנקן נוזלי וקרח יבש (פחמן דו חמצני). חנקן נוזלי (מינוס 195-210 מעלות צלזיוס) מוחזק במכלי מתכת בנפח של 100 ליטרים ובלחץ של 7 אטמוספרות. עם חימומו, החומר ממריא. קרח יבש קופא בטמפ' של מינוס 78 מעלות צלזיוס ומעליה ממריא.

פייזר ומודרנה ייצרו למבורגיני, כשהעולם זקוק נואשות לטויוטה

גם במקומות מפותחים כארה"ב, אירופה וישראל, חשים באתגר. בעיקר בפריפריה, בדיוק אותה פריפריה שסובלת מתחלואה ותמותה. כל שכן כאשר כשמדובר במדינות באפריקה, דרום-אמריקה ואסיה. אינדונזיה, למשל, כבר פסלה מראש את החיסון של פייזר מתוך הבנה שאין לו סיכוי לשרוד מהלך הפצה בין 17,000 איים ו-270 מיליון נפש.

במילים אחרות, פייזר ומודרנה ייצרו למבורגיני, כשהעולם זקוק נואשות לטויוטה – חיסון שניתן לייצר, לאחסן ולהפיץ בקלות ובזול, דרך ערוצי הפצה קיימים. התקווה היא שיכולת ההמצאה האנושית תאפשר בעתיד ל"הוריד את הלמבורגיני אל העם". בינתיים, מערכי ההפצה הייעודיים מעוררים חשש אצל כל מי שעוסק בלוגיסטיקה ואריזה רפואית. לנו, בתעשיית הפלסטיק, תפקיד קריטי עם התאמת החומרים לציוד הקירור וההובלה, כך שיעמדו בטמפרטורות הקרות.

צוללים לתוך הבקבוקון

הבקבוקונים של פייזר נכנסים אל מכלים שתוכננו במיוחד לשינוע המאתגר ומבוססים על טכנולוגיה שפותחה במשך השנים להטסת אברי גוף להשתלות: ראשית הם נכנסים לקופסא שמזכירה בגודלה מגש פיצה – כל קופסא מכילה 195 בקבוקונים. אלו נכנסים לקופסא גדולה שמסוגלת להכיל כמעט 6,000 מנות חיסון. את המיכלים האלה ממלאים בקרח יבש שמאפשר לשמר את יעילות החיסונים למשך 30 יום ועל קופסות הפלסטיק לעמוד בטמפ' זו. הבקבוקונים של מודרנה ייכנסו לקופסאות של 10 יחידות. אלו יכנסו לזיווד שמסוגל להכיל עד 1,200 מנות ומאפשר חיי מדף בהקפאה של מינוס 20 לשישה חודשים. כל תהליך השינוע עובר בקרה באמצעות מוניטור GPS משוכלל שמותקן בכל מארז. מטרתו לוודא שהטמפרטורה לא חרגה מהרצוי.

אתגר גם עם מלאי המזרקים

גם המזרקים הנחוצים לצורך החיסון מהווים מרכיב חשוב בשרשרת המאתגרת. ארצות הברית נחלצה בנס מעוד משבר לוגיסטי בזכות הזמנות מראש שביצעה. זאת בעקבות מכתב אנונימי שנשלח לקונגרס בחודש מאי שהתריע שבמאגר החרום הממשלתי יש פחות מ-15 מיליון מזרקים.

כתוצאה מכך נחתמו שורה של מכרזי ענק ממשלתיים, שכללו בין היתר הלוואה של 600 מיליון דולר לחברת הזנק בשם ApiJect שפיתחה מזרק פלסטי חד-פעמי, בשיטת BFS (ניפוח, מילוי והלחמה). המזרק יאפשר מילוי מראש של מנת חיסון אחת בכל מזרק (תמונה 1). 45 מיליון יחידות מוכנות לשימוש החל מינואר 2021.

יישומים לחומרי פלסטיק בתנאי הקפאה קְרִיוֹגֶנִית

עיקר הנתונים שענף הפלסטיקה מסתמך עליהם מבוססים על מחקרים שנערכו על ידי סוכנות החלל האמריקאית NASA וסוכנויות ממשלתיות אחרות בשנות השישים. הניסיונות התמקדו בשיפור העמידות של אטמים, משאבות, מיסבים וכד' בתעופה וחלל. כיום התרחבו היישומים באופן משמעותי והם כוללים, בנוסף לרפואה, גם קירור מחשבי-על, מאיצי חלקיקים ומגנטים מוליכי-על.

היתרונות של חומרים פלסטיים בטמפ' קריוגניות כוללים הולכה תרמית נמוכה, יכולות בידוד חשמלי, ביצועי אטימה והיכולת לשפר ביצועי שחיקה ללא צורך בלובריקציה (סיכה) חיצונית. עם זאת, חומרים פלסטיים רבים משנים את תכונותיהם, מצב שחייב להילקח בחשבון בשלבי התכנון. החומרים המובילים בתחום הם PEEK, PTFE (טפלון), PC וחומרים הנדסיים דומים.

התנהגות חומרים פלסטיים בטמפרטורות קריוגניות

תכונות מכאניות של חומרים פלסטיים משתנות כתלות בטמפ'. להלן דוגמאות לשינויים אלו עבור פולימרים הנפוצים לשימוש ביישומים אלו:

1. הקשר בין טמפ', גבישיות ופריכות: PTFE משמש ביישומי אטימה הנדסיים רבים. קשיחותו הולכת ועולה ככל שהטמפ' יורדת. בנוסף, ככל שרמת הגבישיות של החומר עולה, כך תושפע רמת הקשיחות מהטמפ' הקרה (תמונה 3). נתון זה משמעותי אם רוצים לחשב את העומס שיש להפעיל על האטם על מנת שייצמד למתכת למשל.

2. הקשר בין התארכות לטמפ': רמת ההתארכות (Elongation) יורדת כתלות בטמפ'. אם נסתכל על PC נראה כי ההארכות משתנה מ-18% בטמפ' החדר ל-1% במינוס 273 מעלות. לירידה משמעות קריטית, באטימה החומר יהפוך פריך וייסדק. החלפה של PC בחומר כמו PA, תפתור את הבעיה.
3. הקשר בין הולם, MW וטמפ': העמידות להולם נחלשת כתלות בטמפ'. תכונה זאת תשפיע על המתכנן בכל הקשור לזוויות חדות או מערכי הברגה. בנוסף, אורך השרשראות הפולימריות, המתבטא בזרימת הפולימר, משפיע גם הוא על העמידות בהלימה. פולימר עם משקל מולקולרי גבוה יהיה עמיד יותר להלימה בטמפ' נמוכות (תמונה 4).

4. מקדם ההתרחבות התרמית CTE (Coefficient of Thermal Expansion): לכל חומר מקדם התרחבות תרמי שונה. PTFE מתכווץ בשיעור קיצוני של 2% במעבר מטמפ' החדר לאפס המוחלט. אלומיניום, לשם השוואה, יתכווץ רק בשיעור של 0.5%. מילוי בסיבי זכוכית תורם לעמידות תרמית גבוה יותר: PEEK ללא סיבי זכוכית יתרחב יותר מפי 3 בהשוואה ל-PEEK  עם 30% סיבי זכוכית. גם ההולכה התרמית של חומרים פלסטיים (Thermal Conductivity) משתנה משמעותית עם וללא מלאנים.
5. הקשר בין חיכוך ושחיקה לטמפ': מקדמי החיכוך והשחיקה של החומרים חייבים להילקח בחשבון מאחר ונוזל הקירור יכול להתנהג כחומר סיכה בין חומרים פלסטיים לבין מתכות (תמונה 5). מקדם החיכוך של PEEK בטמפ' החדר, בחנקן נוזלי (-196°C) יורד מ-0.27, ל-0.13 בהתאמה.

למידע נוסף:

סורפול, עפר שורק, [email protected]