טקסטור משטח שנעשתה בלייזר בפולסים קצרים במיוחד להפחתת העברת חום בסגסוגות אלומיניום יצוקות

מדוע חשוב לשמור על קירור הרכב החשמלי

עבור נהגים רבים, לרכבים חשמליים של היום עדיין יש חסרון בולט אחד: טווח הנסיעה נראה קצר מדי. למרות שיש מפתה להאשים רק את הסוללה, כמות מפתיעה של אנרגיה אובדת בשקט כחום ברכיבים המכנית של הרכב. המחקר בוחן דרך לא שגרתית להפחית את ההפסדים האלה — על ידי גילוף פני המתכת הפנימיים של תיבות ההילוכים ברכבים חשמליים בעזרת לייזרים על-מהירים, כך ששמן חם יתקשה להעביר את חומו אל המתכת. התוצאה היא תבנית משטח זעירה וכמעט בלתי נראית שיכולה לסייע להוציא כל קוטשעה שעה קילוואט מעט יותר.

לאן האנרגיה נעלמת בשקט

אפילו רכבים חשמליים יעילים מבזבזים חלק גדול מהאנרגיה שנלקחת מהרשת. בדגם שנחקר היטב, רק בערך שלושה רבעים מהאנרגיה הנכנסת מגיעים לגלגלים; השאר דולף דרך הטעינה, האלקטרוניקה, מערכות הקירור והכוח עצמו. בתוך מערכת ההנעה, גלגלי שיניים ומיסבים נמצאים באמבט שמן משחתי, הכל כלוא בתוך תעלת אלומיניום יצוקה. במהלך נסיעה, טיפות שמן מתנפצות על דפנות המארז ומעבירות חום למתכת, אשר לאחר מכן דולפת אל האוויר החיצוני. המחברים מגדירים את מסלול החום הזה — מהשמן לאלומיניום — כהפסד שניתן למנוע וששווה מיקוד, במיוחד משום שמארזים מאלומיניום הפכו כיום לסטנדרט עבור מערכות הנעה רבות.

הלוואת טריקים מעלי לוטוס

הטבע מציע רמז כיצד לשלוט באינטראקציה בין נוזלים למוצקים: עלי הלוטוס נשארים נקיים ויבשים להפליא כי פני השטח שלהם מכוסים בגבעות זעירות במספר מידות. טיפות מים יושבות על גבי הנוף המיקרוסקופי הזה, עם כיסי אוויר שנלכדים מתחתיהן, ולכן הן מתגלגלות בקלות ומסלקות לכלוך. החוקרים מאמצים רעיון זה לנוזלים שמניים בתוך מערכת ההנעה החשמלית. הם קודם מיישרים את הגסה הטבעית של יציקת האלומיניום בעזרת לייזר בפולסי פיקו-שנייה, ואז משתמשים בלייזר בפולסי פמטו-שנייה קצר אף יותר כדי לחרוט "טקסטורה היררכית" מתוכננת של חריצים ושיניים. על ידי כוונון היחס בין רוחב החריץ לרוחב השן הם מוצאים דפוס שגורם לטיפות מים ושמן לעמוד גבוה יותר ולהחליק ביתר קלות על פני המתכת, דבר המעיד על הפחתה באזור המגע וזמן המגע.

עיצוב המתכת כדי לדחות שמן חם

כדי לבדוק עד כמה המשטח המטקסטור עמיד לשמן, הצוות משווה שלושה סוגי לוחות אלומיניום: מתכת יצוקה בלתי מטופלת, משטח דוחה מים בציפוי כימי, והמשטח החדש שטוחנס בלייזר. הם מודדים כיצד טיפות שמן תמסוכת משתטחות, כמה בקלות הן מחליקות, וכיצד זווית המגע הנראית — עד כמה הטיפה נראית "עגולה" — משתנה. על אלומיניום בלתי מטופל השמן מהווה רטיבות חזקה של המשטח. בגרסת הלייזר זווית המגע של טיפת השמן כמעט וכופלת, והטיפה מתחילה לנוח חלקית על כרית של אוויר שנתפסה בין החריצים. המשטח נעשה לא רק דוחה מים אלא גם "אוליאופובי" — כלומר הוא גם מתנגד להרטבה על ידי שמן — אף על פי שלא נוסף ציפוי כלשהו.

צפייה בזרימת חום טיפה אחר טיפה

הלב של המחקר הוא ניסוי מותאם שבו משליכים כמויות זעירות של שמן הילוכים חם על חתיכות בדיקה מאלומיניום מותקנות בצורה אופקית בעוד שמנטרים כמה טמפרטורתן עולה לאורך זמן. כאשר כל התנאים האחרים נשמרים קבועים, המשטח החלק והבלתי מטופל מתחמם הכי הרבה, המשטח המטופל כימית פחות, ומשטח הלייזר הכי מעט. בטמפרטורת שמן של 80 °C, האנרגיה שנבלעה על ידי האלומיניום הבלתי מטופל היא כ-464 ג'ול, בעוד שהמשטח המטקסטור סופג רק 347 ג'ול. במונחים הנדסיים,מקדם העברת החום היעיל יורד ביותר מחצי. חישובים ותצפיות במהירות גבוהה מצביעים על שתי סיבות עיקריות: האוויר שנתפס בתוך דפוס המשטח פועל כאיזולציה, והטיפה נוגעת במתכת על שטח קטן יותר ולזמן קצר יותר לפני שהיא מחליקה רחוק.

מה המשמעות עבור רכבים חשמליים עתידיים

ללא מומחיות מיוחדת, המסר המרכזי הוא שהמחברים מצאו דרך להפוך קיר מתכת פשוט לסוג של מגן חום מובנה באמצעות אור בלבד — ללא צבעים, קצפים או כימיקלים נוספים. הטקסטורה שחרוטה בלייזר גורמת לטיפות השמן להסס לא להרטיב את המתכת במלואה ומעודדת אותן לנוע מהר יותר, כך שפחות חום עובר למארז. ברכב חשמלי אמיתי, יישום טקסטורות כאלה על מארזי הילוכים ורכיבים נוספים שנשטפים בשמן יכול לצמצם את אובדני החום במערכת ההנעה ולהאריך במידה מתונה את טווח הנסיעה, וכל זאת תוך עמידות בטמפרטורות גבוהות והימנעות משכבות בידוד נוספות. זו שינוי זעיר בקנה מידה של מיקרומטר עם יתרונות פוטנציאליים משמעותיים בקנה מידה של נסיעה יומיומית.

ציטוט: Goto, R., Yamaguchi, M. Ultrashort-pulse laser-modified surface texturing for heat transfer reduction in die-cast aluminum alloys. Sci Rep 16, 13823 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41605-0

מילות מפתח: יעילות רכבים חשמליים, הפחתת העברת חום, טקסטור משטח בלייזר, משטחים עודפי שמן (אוליאופוביים), תעלות אלומיניום יצוקות