הפיזיקאי שלא
מאבד אנרגיה

**ב-25.6.23 הלך גודאינף לעולמו חודש לפני יום הולדתו ה-101**

לא לעיתים קרובות זוכה אדם להכיר מישהו בן מאה. מעטות עוד יותר הן ההזדמנויות להכיר בן מאה שפועל ומתפקד כמו צעיר נצחי, חי את העבודה כאילו זה יומו הראשון בה, ומוחו הקודח ממשיך ליצור ולהגות רעיונות חדשים ומרתקים. יש משהו מפעים ביכולת לשמור על צלילות הדעת בגיל כזה, ולשמור על גדלות הרוח של אדם שאינו מאבד את טעם החיים וחש נחוץ ושייך.

כזה הוא חתן פרס נובל ג'ון בניסטר גודאינף (Goodenough), ממציא סוללת הליתיום-יון, שנולד ב-25 ביולי 1922 וחוגג היום את יום הולדתו המאה. זו הפעם השלישית בלבד בתולדות פרס נובל, שמישהו מחתני וכלות הפרס מגיע לגיל הנכבד הזה. קדמו לו רק ריטה לוי-מונטלצ'יני (Levi-Montalcini) שהגיעה לגיל 103 ואדמונד פישר (Fischer) שחי עד גיל 101, חתני הפרס לפיזיולוגיה או רפואה.

חתן פרס נובל השלישי בלבד שמגיע לגיל 100. ג'ון גודאינף בשנת 2019 | צילום : US Embassy Sweden, Wikipedia

משפחה של "מתקבל על הדעת"

בראשית שנות ה-20 של המאה הקודמת, ההיסטוריון האמריקאי סמואל גודאינף, שהמשמעות המילולית של שם משפחתו היא "מתקבל על הדעת" או "מספיק טוב", היה עסוק בכתיבת הדוקטורט שלו באוניברסיטת אוקספורד. את חופשות הקיץ נהגו הוא ורעייתו לבלות ברפובליקת ויימאר התוססת, הרבה לפני עליית המשטר הנאצי בגרמניה. כך נולד בנם ג'ון גודאינף הרחק מיבשת אמריקה, במקום סמלי למדי: העיר האוניברסיטאית ינה (Jena) בגרמניה.

לקראת סוף העשור, סמוך לתחילת תקופת השפל הכלכלי הגדול, שבה המשפחה לארצות הברית. בשנים האלה ג'ון לא התבלט בלימודיו. "הייתי מדורג בהקבצה התחתונה של הכיתה בכל התחומים. המנהל לימד אותנו לימודי קודש, ובבחינה הראשונה התבקשנו לציין את שמות שנים-עשר השליחים של ישו. אני, שמיעטתי מאוד לקרוא ולא הייתה לי כל השכלה דתית, זכרתי בקושי שם של שליח אחד", סיפר לימים לאתר פרס נובל. רק כעבור שנים גילה גודאינף כי הוא לוקה בדיסלקציה, ונראה כי זה הקשה עליו בלימודים בתחילת דרכו.

בשנות התיכון חל שיפור משמעותי במצבו הלימודי, ובגיל 18 כבר התקבל ללימודי תואר ראשון במתמטיקה באוניברסיטת ייל המכובדת, שם כיהן אביו כפרופסור. אולם בעיצומם של לימודי התואר הראשון שלו, בסוף 1941, הצטרפה ארצות הברית למלחמת העולם השנייה בעקבות התקפת הפתע היפנית על בסיס הצי האמריקאי "פרל הרבור" בהוואי. גודאינף נקרא לדגל והתגייס לצבא. בשונה מרוב חבריו הוא לא שירת בתפקיד קרבי, אלא השתמש בידע האקדמי שרכש ושירת כמטאורולוג.

בתום המלחמה חזר לספסל הלימודים ועשה תואר שני ושלישי בפיזיקה באוניברסיטת שיקגו. המנחה שלו לדוקטורט היה הפיזיקאי קלרנס זנר (Zener), שידוע כיום בעיקר בזכות נוסחת לנדאו-זנר למערכת קוונטית בעלת שני מצבים. באותן שנים נישא גודאינף לאיירין וייסמן, והשניים נותרו יחד במשך כשבעים שנה, עד שהלכה לעולמה ממחלת אלצהיימר ב-2016.

המשיך את הלימודים אחרי המלחמה. גודאינף כתלמיד מחקר | צילום: אוניברסיטת שיקגו

לאגור חשמל

בסיום הדוקטורט הצטרף גודאינף למעבדות לינקולן במכון הטכנולוגי של מסצ'וסטס (MIT). מחקריו התמקדו בפיתוח טכנולוגיית זיכרון גישה אקראית, מה שרובנו מכיר בתור הזיכרון הראשי של המחשב, או ה-RAM שלו. לא מעט פיזיקה מסתתרת מאחורי הרכיב הבסיסי הזה, בעיקר במה שנוגע לחקר התכונות המגנטיות של החומר, וגודאינף היה בין אלה שעיצבו את הרכיב החשוב הזה בטכנולוגיית המחשבים, שהייתה אז בחיתוליה.

במחצית שנות ה-50 ניסח גודאינף באופן חצי-אמפירי את החוקים המסייעים להבנת תכונותיהם המגנטיות של חומרים בהתבסס על תכונות אלקטרוניות של האטומים ותובנות בסיסיות ממכניקת הקוונטים. החוקים האלה, שהוא פיתח במקביל לפיזיקאי היפני ג'ונירו קנאמוֹרי (Kanamori), נקראים כיום על שם שניהם.

לקראת סוף שנות ה-70 חזר גודאינף לאירופה וקיבל משרה באוניברסיטת אוקספורד, שם למד אביו חמישים שנה קודם לכן. שם הוא זכה לעיקר תהילתו, כשזיהה בשנת 1980 כי לתרכובת של היסודות קובלט וליתיום יש תכונות אלקטרוכימיות עם פוטנציאל משמעותי לאגירת אנרגיה. כיום התרכובת הזאת היא הבסיס לפעולתה של סוללת הליתיום-יון.

הרבה פיזיקה. זיכרון מגנטי של מחשב מהעידן שלפני המיקרו-מעבדים | צילום: PASIEKA / SCIENCE PHOTO LIBRARY

ליגה אחרת של סוללות

אז איך בנויה סוללה? זהו למעשה תא ובו תמיסה מוליכה (אלקטרוליט), שבצד אחד שלו טבולה אלקטרודה חיובית (קתודה) ובצד השני אלקטרודה שלילית (אנודה). היונים החיוביים מסוגלים לנוע בתמיסה מאלקטרודה אחת אל האחרת. אם נחבר את החלקים החיצוניים של הקתודה והאנודה באמצעות תיל, הפרש המתח בין שתיהן ייצור זרם חשמלי בתיל, שבעזרתו אפשר להפעיל מכשירים והתקנים חשמליים.

במשך שנים ניסו חוקרים לפתח סוללה נטענת, שיהיה ניתן להשתמש בה באופן רב פעמי ביעילות גבוהה. אחת הסוללות הנטענות הראשונות, שהמציא הצרפתי גסטון פלנטה (Planté) היא מצבר העופרת-חומצה שעדיין משמש בכלי רכב רבים. סוללה נוספת, שהמציא השוודי וולדמר יונגנר (Jungner) בשלהי המאה ה-19, היא סוללת הניקל-קדמיום. על אף השימוש הנרחב בסוגי הסוללות הללו ובסוללות נוספות, לכל אחת מהן חסרונות מובהקים כגון צפיפות אנרגיה נמוכה או פריקה עצמית גבוהה, אשר מובילה לבליה מהירה ולבזבוז אנרגיה על תהליכים אלקטרוכימיים פנימיים.

גודאינף לא הגה את הרעיון להשתמש בליתיום באנודה של הסוללה. סוללות כאלה היו לפניו, אך הן היו בעלות יעילות נמוכה יחסית. הוא היה משוכנע שאפשר לשפר את הסוללה הזו באמצעות שימוש בקתודה אחרת, במקום קתודה מתרכובות טיטניום שהייתה בשימוש. הידע שלו על מעבר אלקטרונים במוצק איפשר לו לחזות מראש אילו חומרים יוכלו להתאים לקתודה טובה יותר, ולבחון אותם בשיטתיות. כך הוא גילה כי קתודה מתחמוצת קובלט (CoO₂) מאפשרת לייצר סוללה בעלת צפיפות אנרגיה גבוהה, מתח תא גבוה, ופריקה עצמית נמוכה. השילוב של כל אלה הציב את סוללת הליתיום-יון בליגה אחרת לעומת הסוללות הנטענות מהמודלים הקודמים.

"הייחוד של התרכובת שגילה גודאינף, הוא יכולתה לאגור כמות יפה של מטען חשמלי באופן הפיך, וזאת עם משקל מינימלי של חומר מוצק. יחד עם הפיתוח של האנודה והאלקטרוליט, הדבר אפשר פריצת דרך בפיתוח של סוללות ליתיום נטענות", אומרת ד"ר מיכל לסקס, חוקרת במחלקה לכימיה מולקולרית ומדע החומרים במכון ויצמן למדע, העוסקת בדימות תהודה מגנטית (NMR) במצב מוצק ובחקר סוללות נטענות. "בפועל הסוללות האלה שינו את דרך החיים של כולנו. כל מי שיש לו טלפון נייד בכיס או מחשב נייד קומפקטי בתיק, יכול להעריך את התרומה של גודאינף לאנושות", אמרה לסקס לאתר מכון דוידסון.

פריצת דרך בפיתוח של סוללות נטענות. סוללות ליתיום-יון של טלפונים ומכשירים אחרים | צילום: Mehaniq, Shutterstock

גלגלי המהפכה

נוסף על השימוש הנרחב במכשירים אלקטרוניים, סוללת הליתיום יון חוללה מהפכה של ממש בתחום כלי הרכב החשמליים. אמנם אלה כבר פותחו ואף נבנו, תאמינו או לא, כבר בשנות ה-80 של המאה ה-19, אך שוק זה תפס תאוצה רק שנים לאחר כניסתה של הסוללה החדשנית לשימוש נרחב.

בשנת 2004 פיתחה חברת טסלה מוטורס את המכונית החשמלית הראשונה, טסלה רודסטר (Roadster) ששווקה לקהל הרחב רק ארבע שנים לאחר מכן והתבססה על סוללת הליתיום-יון. מאז, הסוללות בכלֵי רכב עברו שיפורים רבים שאיפשרו לקצר את משך הטעינה ולהגדיל את טווח הנסיעה, כך שדגמי מכוניות חשמליות צצו כפטריות אחרי הגשם והמנייה של טסלה הרקיעה שחקים. מכוניות חשמליות אינן עוד גימיק חולף, וכל זאת מבלי לדבר על היקף השימוש באופניים ובקורקינטים חשמליים, שאף להם לא הייתה תקומה בלעדי סוללת הליתיום-יון. כדי להתרשם מעוצמת החדירה של כלי הרכב האלה לשוק, צריך רק ללכת ברחובות תל אביב כעשר דקות, אבל בלי להיות עם הראש בתוך הטלפון, שגם הוא כאמור מבוסס על אותה סוללה.

מהפכה תחבורתית. קורקינט ואופניים חשמליים בתל אביב | צילום: Jose HERNANDEZ Camera 51, Shutterstock

בכל הקשור לאנרגיה, אנחנו נמצאים בעידן מופלא ואפל. מצד אחד יש צורך גובר והולך במציאת מקורות אנרגיה מתחדשת, בעיקר נוכח משבר האקלים שכבר גובה מחירים כלכליים, חברתיים ובריאותיים מכל אחד ואחת מאיתנו – לעיתים בלי שאנחנו יודעים כלל. מצד שני ההתפתחויות המשמעותיות של העשורים מספקות לנו כלים לצמצם את הנזקים האלה, וגם לכאן נכנסות הסוללות המתקדמות, המאפשרות לאגור ולאחסן אנרגיה ממקורות מתחדשים לשעת הצורך, וכך למשל להשתמש באנרגיית השמש גם אחרי שהשמש שקעה.

"פיתוחים אלה הכרחיים כדי להתמודד עם האתגרים שצפויים לאנושות עקב משבר האקלים המתפתח והצורך בשימוש באנרגיות מתחדשות", אמרה לסקס. "על ידי פיתוח של סוללות חזקות יותר, קלות יותר ובטוחות יותר נוכל לאגור ביעילות אנרגיה חשמלית שמומרת ממקורות הטבע – כמו אנרגיה סולרית או מהרוח".

עדיין עובד על רעיונות חדשים, גם בתחילת העשור ה-11 של חייו. ג'ון גודאינף | איור: מיכל ברקהיים

נובל בגיל 97

בשנת 1986 עבר גודאינף לאוניברסיטת טקסס באוסטין, שם הוא עדיין מחזיק במשרה עד עצם היום הזה. רק בשנת 2019, כשהוא בן 97, הוענק לו פרס נובל בכימיה, וגם בכך שבר שיא כשהיה לאדם המבוגר ביותר המקבל את הפרס עד כה. הוא חלק אותו עם סטנלי ויטינגהם (Whittingham), שפיתח את השימוש באנודת ליתיום, ועם אקירה יושינו (Yoshino), שמצא דרכים לייעל את פעילות הסוללה ולשפר את בטיחותה. מבחינה אישית נראה כי הקריירה וההישגים לא סימאו את עיניו, והוא שמר לאורך השנים על צניעות מעוררת השראה: "שמתי לב שלא כל אחד יכול להיות 'מלך ההר' אף לא לזמן קצר. אם כך, האם להיות מלך הוא מה שנותן משמעות לחיים? התחלתי להבין כי כל משמעות לחיים היא לא עניין של להיות מלך בארמון, אלא המשמעות והטבעת החותם במה שאנו עושים", צוטט בביוגרפיה שלו באתר פרס נובל.

מיכל לסקס, שפגשה את גודאינף בביקורו בישראל לפני כמה שנים, סיפרה כי הוא עדיין עובד על רעיונות חדשים, ובאופן כללי מדובר באדם מקסים בעל צחוק מידבק וייחודי. ניכר אם כן, שמעבר לתגליתו הוא גם פיצח גם את הסוד לחיים ארוכים: לעולם לא לצאת לגמלאות. זהו כנראה המתכון המושלם לשמור על אנרגיה, בדיוק כמו הסוללה שהמציא.