פיתוח גלאי מיקרו כפול טמפרטורה־מפל חום באמצעות סרט דק של Pt למדידות חום טרנזיינטיות עד 1400 °C.

מדידת חום קיצוני על מפנים טיסת העתיד

כשחלליות או כלי טיס מהירים מאוד קורעים את האטמוספירה, עורם החיצוני מוצף בחום עז בתוך שברירי שנייה. ידיעת כמות החום שהמשטחים האלה סופגים היא קריטית כדי למנוע כישלון של מנועים, מכלי דלק וציפויים מגן. מאמר זה מציג סוג חדש של זיז חיישן חום זעיר שיכול לשרוד טמפרטורות הגבוהות מרבים מזרמי לבה ולהגיב במהירות מספקת לעקוב אחרי זעזועים תרמיים פתאומיים, ומציע כלי עוצמתי לתכנון כלי טיס מהירים ובטוחים יותר.

למה חום קיצוני קשה כל כך למדידה

משטחים בדגמי מבחן היפרסוניים, בלאדות טורבינה וחדרי בעירה יכולים לעלות לזמן קצר על 1000 °C בעוד גזים מהירים מליטה אותם. חיישני מפל חום מסורתיים — התקנים שמודדים את קצב זרימת החום אל משטח — נאבקים בתנאים אלה. העיצובים הקלאסיים יחסית גדולים, מה שמפריע לזרימת האוויר סביבם, וחומריהם עלולים להתחמצן או להתרכך, מה שמוביל לסטייה או לכשל במדידות. רבים מהחיישנים הקיימים מגיעים לתקרה מתחת לכ־1200 °C ומגיבים במילי־שניות או יותר, מה שאיטי ורגיש מדי לשיאי החום החדים והעזים הנצפים במבחנות רוח מודרניות ובמחקר מנועים.

עמוד זעיר שנבנה לעמוד בחום

החוקרים תכננו זיז מיקרו מבוסס סרט דק של פלטינה (Pt) המוקף על עמוד אלומינה ברוחב 2 מילימטר. נבחרה אלומינה כי היא מבודדת חשמלית, חזקה מכנית ויכולה לעמוד בטמפרטורות עד בערך 1600 °C. בתוך העמוד הקרמי הוחבאו ההובלות החשמליות בתעלות צרות, מה שמגן על הכבלים מפני גזים חמים וסוחפים ומקטין רעש חשמלי. מבחוץ, שכבת הפלטינה מתוכננת במתאר בצורת S להגדלת אורכה, מה שמגביר את הרגישות לשינויים בטמפרטורה בעוד היא נשארת בתוך שטח זעיר.

עור מגן שממנע פירוק הסרט

אתגר מרכזי לסרטי מתכת בטמפרטורות גבוהות מאוד הוא שהמשטח עלול להיסגר לאיי פתיתים—כמו מים המתכדרים על זכוכית—מה שמשחית את התנהגותם החשמלית. כדי למנוע זאת השתמשו החוקרים בהדפסה אלקטרוהידרודינמית בדומה לריסוס דיו מדויק, כדי לצפות את הפלטינה בשכבת מגן אלומינה מותאמת. לאחר טיפול בטמפרטורות גבוהות, ציפוי זה מתמצק לצורת גביש צפופה ויציבה הנקראת אלומינה אלפא. מיקרוסקופיה ומדידות בלאנטגן הראו כי סרט הפלטינה המצופה נשאר חלק ומוצמד היטב גם לאחר חימום עד 1400 °C, בעוד שסרט בלתי־מוגן מפתח חללים ומשטחים גסים בטמפרטורות נמוכות יותר.

איך החיישן הופך חום לאותות

החיישן החדש פועל בשתי דרכים משלימות. ראשית, ככל שסרט הפלטינה מתחמם, ההתנגדות החשמלית שלו עולה באופן צפוי וכמעט ליניארי. על ידי הזנת זרם קבוע דרך הסרט ומעקב אחרי שינוי המתח, ניתן לחשב במדויק את הטמפרטורה על פני השטח. שנית, בעזרת מודל הולכת חום מוכר, היסטוריית המתח בזמן ניתנת להמרה להיסטוריית מפל החום — קצב האנרגיה שנכנסת אל המשטח. סימולציות מחשב אישרו שמבנה השכבות של הזיז מייצר יחס נקי וכמעט ליניארי בין החום הנכנס לאות הפלט, בעוד שמתח לחוץ בסרט, הנשמר על ידי שכבות האלומינה, מסייע לשמור על יציבות הפלטינה בטמפרטורות גבוהות.

בדיקת החיישן במבחן

הצוות לאחר מכן חשף את הזיז לסדרה של ניסויים. בתנור, ההתנגדות של סרט הפלטינה עקבה אחרי הטמפרטורה מטמפרטורת החדר ועד 1000 °C בקויות ובחזרתיות מצוינות, והגרסה המוגנת שרדה עד כ־1440 °C — בערך 50 אחוז יותר מהסרטים הבלתי־מוגנים. ניסויי לייזר השוו את הזיז החדש לחיישן מפל חום מסחרי והראו התאמה טובה: בעוצמה הגבוהה ביותר הנבדקה, המכשיר החדש מדד כ־71 kW למטר מרובע של מפל חום עם שגיאה מלאה פחותה מ־1.7 אחוז וחזרתיות טובה מ־0.6 אחוז. מערכת חימום מהירה, המדמה עומסים תרמיים פתאומיים, חשפה שהזיז יכול להגיב בכ־0.2 מילי־שנייה ולעמוד במפל חום מעל 3.5 מגה־וואט למטר מרובע, עם שגיאות טמפרטורה מתחת לאחוז אחד כאשר נבדקו מול מד חום אינפרא־אדום.

מה המשמעות לכך עבור טיסת-על מהירה בעתיד

במלים פשוטות, עבודה זו מספקת מד־חום קטן מאוד, חזק מאוד ומהיר מאוד שאינו רק מודד טמפרטורה אלא גם עד כמה בחוזקה החום פוגע במשטח. בגלל שהוא יכול לשרוד קרוב ל־1500 °C, להגיב במיקרושניות ולהיוצר במערכים על עמודים זעירים, הוא מתאים למיפוי העומסים התרמיים על כלי טיס היפרסוניים ורכיבי מנועים ברזולוציה גבוהה. יכולת זו אמורה לסייע למהנדסים לתכנן מערכות הגנה תרמית אמינות יותר ולבדוק חומרים חדשים בתנאים קיצוניים וריאליסטיים, ובכך לקרב את טיסת־העל הבטוחה יותר למציאות.

ציטוט: Wang, H., Kong, M., Wang, H. et al. Development of micro dual temperature–heat flux sensing probe using Pt Thin film for transient heat measurements up to 1400 °C.. Microsyst Nanoeng 12, 158 (2026). https://doi.org/10.1038/s41378-026-01274-5

מילות מפתח: חיישן מפל חום, תעלה מטאורית היפרסונית, סרט דק מפלטינה, מדידת טמפרטורה גבוהות, קרמיקה אלומינה