אלקטרוניקה בחלל, או - איך להרוג את R2D2

כתב: רן לוי

אחת הדמויות האייקוניות של סדרת סרטי מלחמת הכוכבים היא זו של R2D2, הרובוט הקטן והצפצפני שפעם אחר פעם מציל את גיבורי הסדרה מצרות צרורות. R2D2, מסתבר, הוא גם טייס-משנה לא רע: כמה וכמה פעמים אנחנו רואים אותו מצטרף ללוק סקייווקר וטייסים אחרים לקרבות החלל שלהם, כשהטייס האנושי יושב בתוך הקוקפיט של החללית - ו R2D2 יושב מאחור, מחוצה לו, כשהוא חשוף לחלוטין לוואקום של החלל.

'מלחמת הכוכבים' היא אחת מסדרות המדע-הבדיוני האהובות ביותר בכל הזמנים, כולל עלי באופן אישי - אבל אני חושב שתסכימו איתי שריאליזם טכנולוגי ומדעי הוא לא הצד החזק שלה. חרבות אור, טיסה מעל מהירות האור, קרני לייזר שמתנהגות באופן חשוד מאוד כמו כדורי רובה רגילים…אפּס, לא ממש מציאותי. אבל אתם יודעים מה - לא חשוב. זה קולנוע, זה פאן. זה לא כאילו שהיקום של מארוול הוא הרבה יותר מציאותי, אתם יודעים.

אבל R2D2…אני ממש מחבב את הרובוט הקטן הזה. ואולי בגלל זה מרגיז אותי שרואי החשבון שעושים את הסרטים האלה החליטו לשים אותו מחוץ לחללית. למה? כי בחיים האמיתיים, במציאות - כנראה ש-R2D2 היה מתפגר…סליחה, מתקלקל - חמש דקות אחרי ההמראה.

מדוע? בואו נגלה.

פיצוץ גרעיני בשחקים

ביולי 1962 המריא טיל מבסיס של חיל האוויר האמריקני על אי קטן במרכז האוקיינוס השקט. שיגור של טיל לחלל תמיד מושך אליו המון תשומת לב, אבל השיגור הספציפי הזה משך אליו הרבה יותר תשומת לב מבדרך כלל - כמו למשל, את תשומת ליבה של ספינת ריגול סובייטית שעגנה - ולא במקרה - לא הרחק מהאי הקטן.

הטיל הממריא טיפס ונסק אל השמיים, מותיר אחריו את השובל המוכר של עשן אפור וסמיך, ואז, כשהגיע לגובה של כארבע מאות קילומטרים מעל פני האדמה - התגלתה הסיבה האמיתית לתשומת הלב הרבה שקיבל השיגור. בראש הטיל היה מורכב ראש נפץ גרעיני בעוצמה של 1.4 מגהטון - דהיינו, שווה ערך לכמיליון וחצי טונות של TNT. הפצצה הגרעינית שהוטלה על הירושימה, לשם ההשוואה, הייתה בעוצמה של בסך הכל שש עשרה אלף טון. הרגע שבו הפך ראש הנפץ הזה לכדור אש אימתני היה רגע השיא של מבצע סודי שיזם צבא ארצות הברית: מבצע 'קערת דגים' (Op. Fishbowl). במסגרת מבצע קערת דגים שוגרו לחלל סדרה של פצצות גרעיניות ופוצצו בגבהים שונים. השיגור הנוכחי, שזכה לשם Starfish Prime היה החזק והגבוה מבין כל הניסויים האלה: ייזום של היה זה הפיצוץ הגדול ביותר אי פעם בחלל.

מבצע סודי או לא סודי - יש דברים שפשוט אי אפשר להסתיר, כמו למשל פיצוץ גרעיני בעוצמה של 1.4 מגהטון. למטה, בכדור הארץ, הרימו מיליוני אנשים את מבטם אל השמיים בפליאה כש-

"הבזק לבן וחזק חלף דרך מעטה העננים, משנה את צבעו במהירות לכדור ירוק וזוהר [...] מפני השטח [של הכדור] בקעו 'אצבעות' לבנות וגדולות, מזכירות בצורתן ענני צירוס, [...] שבתוך שניות התחלפו בטבעות מרהיבות שנעו ממרכז הפיצוץ החוצה במהירות אדירה - עד שלבסוף נעצרו [...]. הן לא נעלמו, אלא נותרו קפואות במקומן. כל זה, אני מעריך, ארע בתוך ארבעים וחמש שניות. בעוד שהאור הסגלגל של הפיצוץ הפך למגנטה והחל לדהות ממרכז הפיצוץ, אור אדום וזוהר החל להתפתח מעל האופק [...] עד שכל השמיים בכיוון מזרח היו צבועים באדום דהוי. [...] המצב הזה נמשך כתשעים דקות."

האורורות המדהימות שצבעו את שמי הלילה מעל האוקיינוס השקט היו צפויות למדי - אבל אף אחד ממתכנני הניסוי לא צפה את מה שקרה באיי הוואי, במרחק של כאלף וחמש מאות קילומטרים משם.

"תאורת הרחוב באיים מנואה וקאילואה (Manoa, Kailua) כבתה ברגע שהפצצה התפוצצה, לדבריהם של מספר דיירים שהתקשרו לדווח על כך למשטרה," נכתב בעיתון מקומי ביום שלמחרת. הפולס האלקטרומגנטי האדיר שנוצר בעקבות הפיצוץ, מסתבר, השבית לא רק כשלוש מאות עמודי תאורת רחוב בהוואי, אלא גם מערכות טלפוניה ותקשורת מיקרוגל בכל רחבי האיים.

הנזק כתוצאה מהפולס האלקטרומגנטי היה בלתי צפוי - אבל למען האמת, לא כזה נורא. כבר למחרת חזרו כל מערכות התקשורת לפעולה תקינה, והפיוזים השרופים של תאורת הרחוב הוחלפה בזריזות.

אבל איש לא שיער לעצמו, באותו הזמן, שהנזק הקטסטרופלי האמיתי כתוצאה מניסוי Starfish Prime התחולל באותם רגעים ממש - בכלל לא על כדור הארץ, אלא גבוה גבוה בחלל.

קרינה חללית

שלהי המאה ה-19 היו תור הזהב של המחקר בתחום הקרינה. מדענים כדוגמת מארי קירי, אנרי בקרל ו-וילהלם רנטגן לימדו אותנו שעולמנו עשיר בתופעות פיזיקליות בלתי-נראות כדוגמת רדיואקטיביות, קרינת רנטגן, קרינת גמא ועוד ועוד. אבל בשלב ראשוני זה של המחקר, הנחת המוצא הייתה שכל מקורות הקרינה נמצאים כאן, בכדור הארץ: למשל, סלעים שפולטים קרינה רדיואקטיבית, או מכשירים שמשדרים קרינה א"מ.

ב-1911 קרא המדען האוסטרי ויקטור הס (Hess) תיגר על ההנחה הזו, כשטיפס בכדור פורח לגובה של כחמישה קילומטרים. אם כל מקורות הקרינה נמצאים על הקרקע, שיער הס, אזי רמת הקרינה שתימדד בגובה רב צריכה להיות נמוכה מרמתה על פני השטח, שהרי הכדור הפורח מתרחק מכל מקורות הקרינה האלה. אבל בפועל, גילה הס, רמת הקרינה בגובה רב הייתה גבוהה - ואפילו גבוהה משמעותית - מזו שנמדדה על פני כדור הארץ, עובדה שרמזה על כך שישנה גם קרינה שמגיעה מהחלל.

מחקרי המשך לימדו אותנו שאת הקרינה שמגיעה מהחלל אפשר לסווג לשני סוגים עיקריים. הראשון - קרינה אלקטרומגנטית, שהיא קרינה של אנרגיה טהורה כגון גלי רדיו, אור נראה וכדומה. הסוג השני היא קרינה של חלקיקים: אלקטרונים, פרוטונים וגרעינים של אטומים כבדים יותר שטסים במרחבים האדירים והריקים של החלל במהירויות אדירות, עד כדי כמעט במהירות האור - עד שהגורל העיוור מזמן אותם להתרסק על כוכב הלכת שלנו.

מכיוון שהניסיון המר לימד את המדענים חיש מהר שקרינה, על סוגיה השונים, עשויה להיות מסוכנת ביותר ליצורים חיים - עלתה מיד השאלה המתבקשת: למה אנחנו בחיים? הרי אם כדור הארץ "מופצץ" ללא הרף על ידי קרינה מהחלל, כוכב הלכת שלנו היה אמור להיות שממה סטרילית. העובדה שאנחנו בחיים מלמדת אותנו שמשהו מגן עלינו מפני הקרינה המסוכנת הזו.

ואכן, מסתבר שיש משהו שמגן עלינו - ולמעשה, שתי הגנות. הראשונה היא האטמוספירה שלנו, שבולמת את רוב הקרינה האלקטרומגנטית המסוכנת, וגם חלק מקרינת החלקיקים. בשלהי שנות החמישים וראשית שנות השישים, כשראשוני הלוויינים החלו להיות משוגרים לחלל, גילינו עוד שכבת הגנה: השדה המגנטי של כדור הארץ, המכונה גם 'המגנטוספירה'. כמובן שהפיזיקאים כבר הכירו את השדה המגנטי של כדור הארץ - איש לא שיער לעצמו שהשדה הזה משתרע גם הרחק אל תוך החלל, עשרות ומאות אלפי קילומטרים מכדור הארץ.

לצד האטמוספירה המגוננת שלנו, השדה המגנטי הוא הסיבה לכך שחיים יכולים היו להתפתח על כדור הארץ. כמעט כל חלקיקי הקרינה הם בעלי מטען חשמלי: אלקטרונים בעלי מטען שלילי, פרוטונים בעלי מטען חיובי וכדומה. כפי שלמדנו בשיעורי הפיזיקה בתיכון, כשחלקיק בעל מטען חשמלי פוגש בשדה מגנטי - השדה הזה מפעיל עליו כוח שגורם לו לשנות את כיוון תנועתו, וכך הודף השדה המגנטי של כדור הארץ את החלקיקים האלה בחזרה אל החלל הבין-כוכבי. בחלק מהמקרים, הכוח שלופת את החלקיקים האלה מוביל אותם לאורך קווי השדה המגנטי ואל הקטבים: כשהחלקיקים האלה, בעיקר אלקטרונים, מתנגשים במולקולות שבשכבות העליונות של האטמוספירה הם גורמים להן לזרוח באורות צבעוניים - קצת בדומה לאור שנפלט ממנורת פלורסנט - ואז אנחנו מקבלים את 'זוהר הקוטב' המפורסם, אורורות קסומות ומכשפות.

אבל בשנת 1958 גילו החוקרים, להפתעתם, שהמגנטוספירה של כדור הארץ לא תמיד עוזרת לנו: לעיתים, היא עלולה אפילו להחמיר את בעיית הקרינה. הפיזיקאי האמריקני ג'יימס ואן-אלן (Van Allen) גילה בשלהי שנות החמישים, בעזרת מידע שנתקבל מהלוויינים הראשונים ששיגרה ארה"ב, שחלק מחלקיקי הקרינה שכן מצליחים לחדור אל תוך השכבות הפנימיות של השדה המגנטי שלנו - נלכדים שם, ונשארים להסתחרר סביב כדור הארץ במשך זמן רב יחסית. האזורים שבהם נלכדים החלקיקים האלה קיבלו את השם 'חגורות ואן-אלן'. המילה 'חגורה' מתארת את התופעה הזו בצורה לא רעה בכלל: החלקיקים המסתחררים מקיפים את כדור הארץ ממש כמו שחגורה מקיפה מכנסיים - או, אם תרצו אנלוגיה נוספת, כמו דונאט עגול שכדור הארץ נמצא במרכזו.

ישנן שתי חגורות ואן-אלן: אחת קרובה לכדור הארץ, שמשתרעת מגובה של כשש מאות קילומטרים ועד כששת אלפי קילומטרים מפני הקרקע, ושניה רחוקה ועבה יותר: מכעשרת אלפים קילומטרים ועד כשישים אלף קילומטרים מכדור הארץ. אסטרונאוט שייקלע לתוך החגורות האלה, יהיה בצרות צרורות: במקום שיהיה מוגן מקרינת חלל בזכות השדה המגנטי של כדור הארץ, הוא עשוי דווקא לספוג את הכמויות האדירות של קרינה שהשדה המגנטי מתעל לתוך חגורות ואן-אלן, כמו מישהו שמוצא את עצמו בטעות בתוך מנהרה פעילה של מאיץ חלקיקים.

הגילוי הזה העמיד בסכנה רצינית את פרויקט אפולו השאפתני של ארצות הברית, שכן היה ברור שהאסטרונאוטים יהיו מוכרחים לחלוף דרך חגורות ואן-אלן בדרכם אל הירח - ולכן המחקר אודות החגורות הואץ באופן רציני בשנות השישים.

אחת הדרכים בהם חקרו המדענים את חגורות ואן-אלן הייתה באמצעות פיצוץ יזום של פצצות גרעיניות בגובה רב: פיצוץ גרעיני יוצר כמויות אדירות של חלקיקי קרינה בעלי מטען חשמלי, שנלכדים בתוך חגורות ואן-אלן ומשפיעים על צורתן. למעשה, ג'יימס ואן-אלן עצמו היה שותף מלא לניסויים האלה, מה שהביא את אחד מעמיתיו להעיר בהומור ש-

"זו הפעם הראשונה שבה מישהו גילה משהו מעניין, ואז מיד החליט לפוצץ אותו."

וזו הייתה מטרתה העיקרית של סדרת ניסוי 'מבצע קערת דגים' שאיתה פתחתי את הפרק, ומטרתו של Starfish Prime - הניסוי החזק והעוצמתי ביותר מכולם.

טלסטאר-1

הלווין טלסטאר-1 (Telstar 1) לא היה הלוויין הראשון בחלל, כמובן - אבל הוא נכנס לדפי ההיסטוריה כאחד החשובים מבין הלוויינים הראשונים, מכיוון שהיה לווין התקשורת הראשון: סנונית של הטכנולוגיה שבימינו מהווה חלק כל כך קריטי מתשתית התקשורת הגלובלית. היו מספר לוויני תקשורת לפני טלסטאר-1, אבל הם היו לוויינים 'פאסיביים': זאת אומרת, הם קיבלו את גלי הרדיו ששודרו אליהם מנקודה אחת כדור הארץ ושיקפו אותם בחזרה לנקודה אחרת על הקרקע - אבל בדיוק כפי שקיבל אותם, בדומה לאופן שבו מראה בסך הכל מחזירה את גלי האור שפוגעים בה. טלסטאר-1, לעומת זאת, היה לווין אקטיבי: הוא נעזר באלקטרוניקה חכמה כדי להגביר את האותות שנתקבלו מכדור הארץ ולשדר אותם בחזרה בעוצמה גבוהה יותר, וכך לאפשר טווח וכיסוי רחבים יותר.

טלסאטר-1 שוגר בעשרה ביולי, 1962 - קצת פחות מיומיים לאחר הפיצוץ של Starfish Prime - וכבר למחרת השיגור העביר בהצלחה שידור טלוויזיה ראשון מארצות הברית לצרפת. עשרה ימים לאחר מכן עברו בהצלחה גם שיחת הטלפון הלווינית הראשונה, לצד הפקס הלוויני הראשון ואפילו תקשורת הנתונים הלוויינית הראשונה בין שני מחשבים על כדור הארץ. זו הייתה הצלחה מסחררת שהשיקה, הלכה למעשה, את עידן התקשורת הלווינית המודרנית.

אבל אז, פחות מארבעה חודשים לאחר מכן, אירעה תקלה כלשהי במערכת האלקטרוניקה העדינה של הלוויין - וטלסטאר-1 הושבת. המהנדסים עבדו בקדחתנות כדי להציל את הלווין יקר הערך והצליחו להחזיר אותו לחיים - אבל ארבעה חודשים לאחר מכן שוב ארעה תקלה אלקטרונית, והפעם הלוויין הושבת סופית. אי אפשר לומר שמיליוני הדולרים שהושקעו בו ירדו לטימיון לחלוטין, שכן טלסטאר אכן הצליח להוכיח שתקשורת לווינית היא עניין מעשי ושימושי - אבל ברור שמשך החיים הקצר כל כך של הלווין היקר היווה אכזבה גדולה לכל מי שהיה מעורב בפרויקט.

וטלסטאר-1, מסתבר, לא היה הלוויין היחיד שסבל מתקלות מסתוריות בדיוק באותו הזמן. לא פחות משישה לווינים נוספים הפסיקו לעבוד פחות או יותר במקביל לתקלות שפקדו את לוויין התקשורת - ביניהם, למשל, גם  אריאל-1, הלווין הבריטי הראשון. הרצף המפתיע של תקלות בכל כך הרבה לווינים בו זמנית גרר מחקר מעמיק לגבי סיבת הכשל. הסתבר שבכל המקרים היו אלה תקלות ברכיבים האלקטרוניים של הלוויינים - כמו למשל, בפאנלים הסולאריים שמייצרים אנרגיה מאור השמש - שהביאו למותם הבלתי הצפוי של הלוויינים.

עד מהרה עלו החוקרים על הגורם המשותף לכל התקלות האלה: ניסוי Starfish Prime. ניתוח של הנתונים מכל הלווינים הראה שהאנרגיה של החלקיקים שנפלטו מהפיצוץ הגרעיני הייתה גבוהה פי מאה מכפי שציפו המדענים: החלקיקים האלה נלכדו בתוך חגורת ואן-אלן הפנימית, זו שקרובה לכדור הארץ, וגרמו לה "להתנפח" ולהתרחב במידה בלתי צפויה. החגורה הנפוחה 'בלעה' את הלוויינים שהיו סמוכים עליה - והפציצה אותם בחלקיקים עתירי אנרגיה.

כאמור, המדענים שיערו עוד קודם שחגורות ואן-אלן עלולות להוות בעיה לחקר החלל - אבל עד אותו הרגע, כולם הניחו שהסכנה הגדולה מצד קרינת החלל היא כלפי האסטרונאוטים, בני האדם. מדוע שמחשבים, גושי מתכת גדולים שכמותם, יהיו פגיעים גם הם? הרי חלליות ג'מיני, למשל, ששוגרו מ-1961 ועד 1965, לא תוכננו ולא נבדקו כלל לגבי עמידות האלקטרוניקה שלהם אל מול קרינת חלל - ובכל זאת, לא נתקלו בשום תופעות שליליות. מדוע, אם כן, סבלו טלסטאר-1 וחבריו מתקלות כה חמורות?

מחקרי המשך חשפו את התשובה. חלליות ג'מיני אכן "הופגזו" על ידי כמויות גדולות של חלקיקי קרינה בחגורות ואן-אלן, בכך אין כל ספק: אנחנו יודעים את זה, מכיוון שהאסטרונוטים של ג'מיני דיווחו על כך שכשהם חולפים דרך חגורות הקרינה, הם רואים הבזקי אור חזקים גם כשהעיניים שלהם עצומות: תופעה שנגרמת בעקבות פגיעה של חלקיקי קרינה ברשתית שבעין, שהמוח מפרש כהבזקי אור.

אבל המחשבים של חלליות ג'מיני לא הושפעו מהקרינה הזו מכיוון שהם היו ענקיים, במונחים של אלקטרוניקה: מפלצות שהכילו בסך הכל קצת יותר מתשע עשרה קילובייט של תאי זיכרון כל אחד (הרבה, הרבה פחות מנפח של תמונה אחת שאנחנו מצלמים בטלפון שלנו) - אבל שקלו כמעט שלושים קילוגרם כל אחד. רכיבי האלקטרוניקה שמהם היו עשויים המחשבים האלה היו גם כן גדולים מאוד מבחינה פיזית - ולכן פגיעה של חלקיק מיקרוסקופי, מהיר ואנרגטי ככל שיהיה, לא ממש השפיעה עליהם, מאותה הסיבה שכדור שנורה מאקדח לא יזיז לטנק. אבל טלסטאר-1 ושאר הלוויינים שנפגעו הכילו, לעומת זאת, אלקטרוניקה הרבה יותר מתקדמת, שהרכיבים שלה היו קטנים וצפופים יותר מאלו של הדורות הקודמים - ולכן השפעתה של הקרינה עליהם הייתה משמעותית בהתאם.

הנזק שגורמת הקרינה

סופם העגום של טלסטאר-1 וחבריו הוביל להאצה ניכרת במחקר אודות השפעותיה של קרינת חלקיקים על רכיבים אלקטרוניים. חברות כדוגמת יבמ, אינטל ויוז (Hughes) השקיעו משאבים ניכרים במחקרים האלה, כולל ניסויים במאיצי חלקיקים שנועדו לדמות את תנאי הקרינה השוררים בחלל. כיום אנחנו יודעים לומר בדיוק לא מבוטל מה הם מנגנוני הנזק של קרינה על רכיבים אלקטרוניים - וכדי לדבר על השפעתה של הקרינה על מעגלים אלקטרוניים, הזמנתי לאולפן עמיתים למקצוע - או אולי נכון יותר לומר, עמיתים לשני מקצועות.

7 "[שי] …וזה לא נשמע כזה פחות טוב?

[רן] הקלטת הגיבוי פחות טובה, כן,  אבל זה יכול להציל, אתה יודע, בצורה כזו או אחרת פחות עם משהו משתבש. טלפונים על סיילנט?"

אלו הם מגישי הפודקאסט Hard Reset, וכמו שאתם יודעים, ברגע שארבעה גברים נכנסים לאותו החדר, הם מיד מתחילים…אה...להשוות ציוד.

"[שי] אז כאילו אז אתה אומר, אודסיטי זאת התוכנה שאין לה מתחרים ביקום. זה בעצם מה שאתה אומר.

[רן] שמע, אני כבר 17 שנה משתמש בה. זה עובד.

[שי] זה מטורף באמת."

8 "[רן] שלום, חברים! שלום ל- Hard Reset: פודקאסט החומרה הראשון והיחיד בישראל, אני חושב, נכון? כל הכבוד. אז בתור מהנדס חומרה בעברי יש לי אחוות צוות חזקה מאוד. בואו תציגו את עצמכם.

[יובל] אני יובל קוגן. אני אחד מיוצרי הפודקאסט Hard Reset. אני מהנדס חשמל, במקצועי מהנדס וריפיקציה.

[שי] אני שי אוליבר, מהנדס DFT וחלק מהפודקאסט יחד עם הח'ברה האלה.

[ליאור] אני ליאור שרמן. אני בן 28. מהנדס וריפיקציה וסטודנט להנדסת חשמל ופיזיקה בתל אביב.

[רן] שמח מאוד להכיר, חברים. אז אולי ככה שאלה קטנה לפני שאנחנו צוללים לסיבה שלשמה התכנסנו. תגידו, למה חומרה? כולם חמים על תוכנה, אתם יודעים: Software is eating the world.. למה אתם מתעסקים בחומרה?

[ליאור] כי חומרה זה יותר חום?

[שי] אני אגיד לך את זה הכי פשוט. בסופו של דבר לא תיתכן שתהיה תוכנה בלי חומרה מתחתיה. תמיד יצטרכו שם מהנדסי חומרה, ואנחנו נהיה אנשים האלה.

[רן] התכנתים יכולים לחשוב שהם החשובים, אבל מי שבעצם מזיז את הביטים ממקום למקום זה אנחנו.

[שי] חד משמעי.

[ליאור] ועוד מעט נגלה שלא רק אנחנו. גם הטבע."

כשאנחנו מדברים על אלקטרוניקה מודרנית, אנחנו מדברים בפועל על שבבים, צ'יפים, שהם ליבת הפעילות במעגלים אלקטרוניים מודרניים.

3 "[ליאור] צ'יפ נראה כמו איזושהי קופסה שחורה או חומה כזאת, עם כמה רגליים ממתכת, שבפנים