הנדסה כימית והנדסה תהליכית – מהמעבדה לחברות הסטארט-אפ

פרופ' גידי גרדר וקבוצת המחקר שלו חוקרים ומפתחים חומרים קרמיים עם אפליקציות בתחום האנרגיה, ומייצרים מימן "ירוק" ביעילות גבוהה. פרופ' גידי גרדר קיבל לאחרונה את פרס ראש הממשלה לחדשנות עולמית בתחום תחליפי נפט לתחבורה.

כשלמד לתואר ראשון בכימיה והנדסה כימית באוניברסיטת ברקלי בקליפורניה, לימוד כימיה אורגנית היה מבוסס על שינון של מאות תגובות כימיות קטליטיות ותנאי הראקציה. לעומת זאת הנדסה כימית הייתה מבוססת על הבנה בסיסית של בעיות תהליכיות. "אהבתי את שני הכיוונים, ועבדתי קצת במעבדה לכימיה. יצא הגורל ואחרי שנתיים בברקלי עמוק בתוך כימיה אורגנית, החלטתי לחזור ארצה לשרת בצבא במשך שלוש שנים בסיירת גולני," מספר גידי. "אחרי הצבא, כשחזרתי לברקלי לסיים את לימודי, לתדהמתי גיליתי ששכחתי את כל הכימיה האורגנית, וממש לא היה לי הכוח לשנן שוב את כל החומר. וכך החלטתי בכיף להמשיך בהנדסה כימית שכבר משכה אותי הרבה יותר."

"את לימודי הדוקטורט עשיתי באוניברסיטת קלטק, גם בקליפורניה, שם הצטרפתי לקבוצת המחקר הנפלאה של פרופ' ג'ון סיינפלד שחקר התנהגות של חלקיקי אבק הנקראים 'אירוסולים' באטמוספירה. בניתי שם מערכת ניסיונית ייחודית שאפשרה לי לחקור את התכונות של חלקיק בודד. בסוף הדוקטורט הכרתי את אשתי והתחתנו. לאחר מכן, תוך כדי עבודה במעבדות המחקר של בל (Bell), נחשפתי לסינתזה של חלקיקים בתווך נוזלי, לתהליכי סול-ג'ל, ולחומרים קרמיים" מספר גידי. לאחר 4 שנים, ועם שני ילדים, החליטו בשנת 1990 לחזור ארצה, לטכניון.

כחבר סגל בפקולטה להנדסה כימית בטכניון, גידי עובד עם סטודנטים לתארים מתקדמים (ואף סטודנטים בתואר ראשון במסגרות שונות) על מחקרים חדשניים בנושאי חומרים קרמיים, בעיקר ליישומי אנרגיה, ותהליכים כימיים הקשורים בייצור מימן ממים. "אני צופה שתחום האנרגיה המתחדשת יתחזק ויקבל תנופה משמעותית בשנים הקרובות. הנושאים מגוונים ביותר וכוללים גם ייצור של חומרים ותהליכים חדשניים לשריפה ידידותית לסביבה של דלקים נקיים, ייצור של כימיקלים מפחמן דו-חמצני וגז טבעי בתהליכים ידידותיים לסביבה, וייצור של מימן 'ירוק' ממים." 

לגידי מספר שיתופי פעולה בולטים שתומכים בכיווני המחקר השונים בקבוצה שלו. בתוך הטכניון ישנו שת"פ ארוך שנים עם הקבוצה של פרופ' אבנר רוטשילד מהפקולטה להנדסת חומרים בנושא ייצור מימן ממים, עם פרופ' וויין קפלן מהפקולטה למדע והנדסה של חומרים בנושא השפעת שדה חשמלי על ציפוף (sintering) של חומרים קרמיים, ועם פרופ' עוז גזית מהפקולטה להנדסה כימית במסגרת פיתוח קטליזטורים ותהליכים ליצירת מולקולות בעלות ערך מוסף מפחמן דו-חמצני ומתאן. גידי עובד גם עם חברת רפאל, האוניברסיטה העברית, ומוסדות מחו"ל כגון האוניברסיטה של האנובר (גרמניה) בנושא סיבים תרמואלקטריים, עם האוניברסיטה של ליל (צרפת) בנושא קטליזה להפיכת פחמן דו-חמצני למתנול, ועם האוניברסיטה של לואיזיאנה (ארה"ב) על קטליזה של תגובת פחמן דו-חמצני ומתאן. כמו כן, ישנו פרויקט עם חברה צרפתית בשם האצ'ינסון על הכנה של סיבים פיאזואלקטריים. בכל הפרויקטים הללו מעורבים סטודנטים לתארים גבוהים בקבוצת המחקר של גידי בטכניון.

בקבוצת המחקר של גידי משתמשים בעיקר בשיטות כימיות ותהליכי סול-ג'ל לסנתזה של חומרים קרמיים. הדבר מאפשר הכנה של תרחיפים ואבקות בגודל ננומטרי שאותן מביאים למבנה סיבים או סרטים קרמיים מהם מכינים גופים רב-שכבתיים. חומרים אלו עוברים טיפולים תרמים בטמפרטורות גבוהות שבה הם מתפרקים, מצטופפים, ומגיעים למבנה הסופי הרצוי שלהם. התוצרים הסופיים הם חומרים ייחודיים כגון קרמיקה שקופה וחומרים בעלי עמידות לטמפרטורה גבוהה במיוחד. 

בשנת 2021 זכה פרופ' גידי גרדר, יחד עם פרופ' אבנר רוטשילד, בפרס ראש הממשלה לחדשנות עולמית בתחום תחליפי נפט לתחבורה על שם אריק ושילה סמסון, הפרס הגדול בעולם בתחום תחליפי נפט לתחבורה. הפרס הוענק לשניים עבור מחקר משותף שעסק בתהליך חלופי לייצור מימן ממים במסגרת תכנית האנרגיה של הטכניון, ותכנית Solar Fuel ICORE (Israeli center for research excellence). במסגרת תכניות המחקר האלו גידי הכיר מקרוב את המחקר של אבנר רוטשילד שעסק בחקר פיצול מים בתא פוטואלקטרוכימי. התא של אבנר הכיל שתי אלקטרודות בכלי אחד, עם ממבנה שמפרידה בניהם. גידי הציע לפצל את המערכת, כך שהמימן והחמצן ייווצרו בשני תאים נפרדים, ללא ממבנה. דר' אביגיל לנדמן, סטודנטית לשעבר של גידי בהנחייה משותפת עם אבנר החלה לעבוד על פרוייקט זה. בתחילה הצוות עבד על כיוון שלא הצליח מכיוון שאלקטרודות המימן והחמצן (הקתודה והאנודה) היו רחוקות מאוד אחת מהשנייה. פריצת הדרך הראשונה הגיעה לאחר שעלה הרעיון להשתמש באלקטרודות עזר כאשר בצד של המימן אלקטרודת העזר נטענת, ובצד של החמצן אלקטרודת העזר עוברת תהליך הפוך והיא נפרקת. פריצת דרך זו הובילה לרישום הפטנט הראשון. לקחו עוד שלוש שנים של מחקר ופיתוח עד שפורסם המאמר של צוות המחקר בעיתון היוקרתי Nature Materials. במהלך המחקר, אביגיל שמה לב שכשאלקטרודת העזר עומדת טעונה למספר ימים (במהלך סוף השבוע, למשל) המטען החשמלי שלה דועך. צוות המחקר מייד הבין שתהליך הפריקה של האלקטרודה יכול לקרות באופן כימי ללא חשמל ושניתן לזרז אותו בטמפרטורה גבוה. כך הגיעו לפריצת הדרך השנייה ויצירת תהליך תהליך דו-שלבי, אלקטרוכימי-תרמוכימי, שבו בשלב ראשון המימן מיוצר בטמפרטורה נמוכה תוך כדי טעינת האנודה, ובשלב שני מייצרים חמצן בצורה כימית על ידי חימום האנודה. התהליך נקרא E-TAC (Electrochemical-Thermally Activated Chemical). בתהליך זה אין צורך בממברנה היות והמימן והחמצן נוצרים בזמנים שונים, וניתן להגיע ליעילות ייצור מימן של כמעט 99%. הצוות רשם פטנט נוסף על התהליך הזה ופרסם את העבודה במאמר נוסף בשנת 2019 בעיתון Nature Energy. הפיתוח זיכה את גידי ואת אבנר בפרס ראש הממשלה היוקרתי.

לגידי הייתה חברת סטארט-אפ בשם סלריס (Cellaris) שהתבססה על תהליך הקצפה ייחודי שפותח במעבדתו, שאפשר ייצור קצף קרמי עם שבר חללים של כ98% (כלומר, חומר עמיד שרובו חללי אוויר), אשר נמכרה לחברה הודית שקיבלה את זכויות השימוש בתהליך. בשנת 2018 הקימו פרופ' גידי גרדר, פרופ' אבנר רוטשילד, ודר' חן דותן את חברתH2Pro  שמתבססת על תהליך E-TAC שתואר מעלה. החברה החלה לפעול בטכניון עם צוות מצומצם של 5 אנשים, ולאחר מכן עברה לאתר הפיתוח הנוכחי שלה באזור התעשייה בקיסריה. החברה עוסקת בגמלון (scale-up) של תהליך הייצור לממדים תעשייתיים. היום, יש בחברה כבר למעלה מ 80 עובדים, רבים מהם בוגרי הטכניון, וחלקם בוגרי הפקולטה להנדסה כימית. ממש לאחרונה נגמר סבב גיוס הון השקעות של 75 מיליון דולר שיאפשרו את פעילות החברה בשנים הקרובות והקמה של מפעל ייצור בגליל במהלך 2023.

"אין כל ספק כי הנדסת תהליכים היא ליבת המקצוע של הנדסה כימית," אומר גידי. "הליבה הזו מייחדת את הדיסיפלינה שלנו. היכולת לבצע גמלון של תהליכים כימיים מהווה נדבך מרכזי בהצלחת המיזמים שתיארתי, ובהצלחה של חברות הזנק אחרות ושל התעשייה התהליכית הקיימת. המקצועות הנלמדים בפקולטה שלנו מאפשרים לבוגרים שלנו לבחור בין אפשרויות תעסוקה מגוונים, מאתגרים, ומעניינים ביותר. אני מאוד ממליץ לסטודנטים המעוניינים בתואר גבוה, לקחת את הקורס מחקר גמר או פרויקט מחקר המוצע בפקולטה שלנו, או לעבוד במסגרת עבודת סטודנט במעבדות של חברי הסגל בפקולטה. כדי להצליח בתואר גבוה חייבים מוטיבציה גבוהה, ונכונות להשקיע בנושא המחקר, ולעזור באופן כללי לפעילות המחקרית בקבוצה."

"זו זכות גדולה ללמד ולחקור בטכניון בכלל ובפקולטה שלנו בפרט עם סטודנטים מעולים במשך שנים רבות," אומר גידי. "הפקולטה שלנו היא מאד משפחתית. התברכנו בסטודנטים נהדרים, שאכפת להם מהחברים שלהם, ומהפקולטה. יש אצלנו המון רצון טוב ונכונות לעזרה הדדית, ועלינו לשמר את התכונות הנדירות הללו . אני רוצה לנצל את הבמה הזו לבקש מכל אחד לספר לחברים על הפקולטה ולהיות שגרירים שלנו מחוץ לכותלי הטכניון."