DOW-UAP-D147, AAWSAP DIRD, אולטרה-קבלים כהתקני אגירת אנרגיה והספק, נובמבר 2010

מסמך עזר מודיעיני ביטחוני (DIRD) של סוכנות המודיעין הביטחוני (DIA), מתאריך 1 בנובמבר 2010, שכותרתו "אולטרה-קבלים כהתקני אגירת אנרגיה והספק ליישומים מסחריים וצבאיים". המסמך, בן 29 עמודי טקסט ממוספרים, הוכן באגף אזהרה טכנולוגית של משרד האזהרה הביטחוני ב-DIA, במסגרת תוכנית AAWSAP. הוא סוקר את עקרון הפעולה של האולטרה-קבל, את החומרים שמהם הוא עשוי, את שימושיו מהטלפון הנייד ועד עגורני נמל וטילים מונחים, ואת ההתפתחויות הצפויות עד 2030 ואילך. אין בו כל עיסוק בעב"מים או בתופעות אוויריות לא מזוהות.

רקע

מסמכי DIRD הם תוצרי עזר של ה-DIA, שנועדו לרכז ידע בסיסי על נושא טכנולוגי לשימוש אנליטי בהמשך. בעמוד הפתיחה נכתב שהמסמך "מספק מידע עזר לא-מהותי אך מוסמך" בנושאי מודיעין או מתודולוגיה. לפי עמוד זה, המסמך הוא אחד מסדרת דו"חות טכנולוגיה מתקדמת שהופקו בשנת הכספים 2010 בתוכנית שהמסמך מכנה Advanced Aerospace Weapons System Applications (AAWSA), כלומר תוכנית יישומי מערכות נשק תעופתיות-חלליות מתקדמות (AAWSAP). על השער מופיע גם הכיתוב "Defense Futures" (קריאה חלקית בשל רעש ב-OCR), ותאריך ICOD, תאריך סגירת המידע, 20 ביולי 2010.

המחברים מופיעים בכינויים בלבד: "AAP Person 84" ו-"AAP Person 85". פניות על המסמך הופנו למנהל התוכנית, המופיע בכינוי "AAP Person 1", בכתובת ה-DIA בוושינגטון. בעמוד הפתיחה מופיעה גם אזהרת זכויות יוצרים: אין להפיץ הלאה את התצלומים שבפרסום. שולי העמודים נושאים את הסימון "בלמ"ס, לשימוש רשמי בלבד" (UNCLASSIFIED//FOR OFFICIAL USE ONLY).

מה כתוב במסמך

המסמך פותח בתקציר ואחריו שבעה פרקים: עיקרון, טכנולוגיית חומרים, יישומים, התפתחויות אחרונות, התפתחויות עתידיות, מסקנות והערות שוליים. לפי התקציר, האולטרה-קבלים מסוגלים לטעינה ולפריקה מהירות במיוחד ולמאות אלפי מחזורים, אך יש להם פחות מ-10% מהאנרגיה הסגולית (Wh/kg) של סוללות ליתיום-יון, והם זקוקים לממיר הספק לוויסות המתח. הקיבול הגבוה מושג בזכות שטח הפנים העצום של אלקטרודות הפחמן. התקציר מסכם ששימושם בתעופה וחלל היה עד כה בהפעלת מרעומים לתחמושת ובאיזון עומסי הספק בטילים, וש"בסופו של דבר" ישמשו לאגירה ולמסירה של הספק פולסי להנעה חשמלית ולנשק אנרגיה מכוונת.

פרק 1 - העיקרון

הפרק מסביר שאולטרה-קבל, המכונה גם סופר-קבל, קבל היברידי או קבל אלקטרוכימי דו-שכבתי, אוגר מטען בשכבה החשמלית הכפולה שבין האלקטרודה לאלקטרוליט. האגירה פיזיקלית ולא שינוי פאזה כימי, ולכן תאורטית אפשר לטעון ולפרוק אותו אינסוף פעמים; בפועל, תגובות לוואי מגבילות זאת, אך לפי המסמך אפשר לעיתים להגיע לעשרות מיליוני מחזורים. בין החסרונות נזכר קצב פריקה עצמית גבוה. עקומת המתח בפריקה היא קו משופע, דבר שמקל על מדידת מצב הטעינה אך גם מקטין את צפיפות האנרגיה הזמינה.

הקיבול מתואר במשוואת הלמהולץ, שבה הקיבול תלוי בקבוע הדיאלקטרי של האלקטרוליט, בשטח הפנים הזמין ובמרחק בין מרכז השכבה הכפולה לפני האלקטרודה; האנרגיה היא מכפלת הקיבול בריבוע המתח. מעבר מאלקטרוליט מימי לאורגני מעלה את המתח מכוולט אחד בקירוב ליותר מ-2.5 וולט. פחם משופעל שבמדידה מגיע לשטח פנים של כ-3,000 מ"ר לגרם עשוי לספק פחות ממחצית מזה כשטח שמיש, ולכן יש פשרה בין גודל הנקבוביות לבין שטח הפנים. המסמך מתאר גם קבלים "פסאודו" או היברידיים, שבהם אחת מאלקטרודות הפחמן מוחלפת באלקטרודה דמוית סוללה.

טבלה המשווה סוללת ליתיום-יון לאולטרה-קבל מבוססת, לפי הטקסט, על נתוני 2008. הנתונים שנקלטו ב-OCR הם זמן טעינה ופריקה של כ-3 עד 5 דקות לסוללה לעומת כשנייה אחת לאולטרה-קבל. המסמך מציע לחשוב על סוללות כאוגרות "ואט-שעות של אנרגיה" ועל אולטרה-קבלים כאוגרים "ואטים של הספק", ומציג גרף רגונה (הספק מול אנרגיה) כדי להמחיש זאת. לדבריו, שתי הטכנולוגיות אינן מוציאות זו את זו, ולעיתים קרובות הן משמשות יחד.

בפרק ההיסטוריה נכתב שהרעיון של אגירת אנרגיה בשכבה הכפולה ידוע מסוף המאה ה-19, שחברת Standard Oil of Ohio (SOHIO) המציאה ב-1966 את ההתקן במתכונתו המקובלת, ושחברת NEC השיקה ב-1978 את ה-SuperCapacitor ברישיון מ-SOHIO. בשנות ה-80 פיתחה Matsushita Electric שיטת ייצור משופרת. השימושים הראשונים היו גיבוי חשמל לשבבי שעון ולזיכרון CMOS. כיום, לפי המסמך, התאים נעים מגודל של מילי-פאראד ועד כמה קילו-פאראד, ויש תאים ייעודיים של יותר מ-100 קילו-פאראד, והענף מגלגל מכירות של כמה מאות מיליוני דולרים בשנה.

פרק 2 - טכנולוגיית חומרים

הפרק מתאר את מבנה התא: שתי אלקטרודות, אלקטרוליט ומפריד דק מאוד המעביר יונים אך מבודד חשמלית, בתוך מארז מתכת או שקיק למינציה. הדור הראשון השתמש באלקטרוליטים מימיים (אלומיניום סולפט, חומצה גופרתית או אשלגן הידרוקסידי) והוגבל לכ-1.2 וולט לתא, עם דירוג נומינלי של כ-0.9 וולט. בדור השני העלו אלקטרוליטים אורגניים, מלח אמוניום בממס כמו פרופילן קרבונט או אצטוניטריל, את המתח ל-2.3 עד 2.7 וולט, ונוזלים יוניים מאפשרים עד 4 וולט במחיר התנגדות גבוהה יותר, בעיקר בטמפרטורות נמוכות.

בנושא האלקטרודות, הפחם מוצג כחומר המועדף כבר יותר מ-30 שנה בזכות שטח פנים גבוה ועלות נמוכה. המסמך מונה סוגים: פחם משופעל, בד פחם, אירוג'ל, פחם נקבובי, ננו-צינוריות פחמן וגרפן, ומביא טבלה של קיבול סגולי לפי חומר. לדוגמה, פחם משופעל בתמיסת אשלגן הידרוקסידי מגיע ל-160 פאראד לגרם, ורותניום אוקסיד הידרטי בחומצה גופרתית ל-650 פאראד לגרם. פחם משופעל מופק בחימום מבוקר של חומרים עשירים בפחמן, כמו קליפות פירות, עץ, זפת או קוקס, אך התהליך אינו שולט היטב בפיזור גודל הנקבוביות. פחמנים שמקורם בקרבידים מופקים בכלוּר של קרבידי מתכת ב-500 עד 1,000 מעלות צלזיוס, וגודל הנקבוביות בהם ניתן לכוונון ברמת דיוק של 0.05 ננומטר.

עוד מוסבר שאלקטרודות אסימטריות, שבהן תחמוצת מתכת או פולימר מוליך מחליפים אחת מאלקטרודות הפחמן, אוגרות מטען גם בתגובת חמצון-חיזור על פני השטח, כמו סוללה. לפי המסמך הקיבול שלהן כפול מזה של תכנון סימטרי, ורותניום אוקסיד הגיע לקיבול של עד 1,300 פאראד לסמ"ק, לעומת 110 עד 125 פאראד לסמ"ק בחומרים פחמניים באלקטרוליט מימי. מנגן דו-חמצני ותחמוצות או הידרוקסידים של ניקל נזכרים כחלופות מובילות. הפרק נקטע באמצע משפט על שיפור צפוי בקבלים מסחריים "מ-4 Wh/kg".

פרק 3 - יישומים

אלקטרוניקה ותקשורת: ייצוב מתחי DC, גיבוי לשעונים ולזיכרון, ומבזקי מצלמה בטלפונים ניידים. לפי המסמך נמכרו ב-2009 כמיליארד טלפונים עם מצלמה. האולטרה-קבלים מספקים את זרם השיא בכרטיסי נתונים אלחוטיים ל-GSM, GPRS ו-WiMAX, שעולה על מה שתקני USB או PC-card מאפשרים, ומשמשים גם בקריאת מונים אוטומטית.

תעשייה: עגורנים, מלגזות, מעליות וכלי עבודה אלחוטיים. במלגזה היברידית האנרגיה נאגרת בכל ירידה של המזלג ומוחזרת בהרמה כבדה; גרף מראה את פרופיל ההספק של מלגזה המונעת בתא דלק. המסמך מתאר גם אגירת עודפי חשמל של הלילה לשעות היום, וייצוב תנודות בחוות רוח.

תחבורה: לפי המסמך השימושים המוקדמים ביותר היו בהתנעת מנועים בטנקים ובצוללות, והאימוץ הצבאי המוקדם הוזיל את הטכנולוגיה עד שנכנסה למשאיות דיזל ולקטרים. בבלימה רגנרטיבית במערך משולב של אולטרה-קבל וסוללה אפשר להחזיר עד 38% מאנרגיית ההנעה, ואוטובוסים היברידיים היו מן המאמצים הראשונים.

תעופה וחלל: גיבוי חשמל רציף למערכות בכלי רכב צבאיים ולמערכות בקרת אש, גיבוי לכריות אוויר, שמירת זיכרון במכשירי קשר ניידים, וגישור בעת מעבר מחשמל קרקעי לחשמל עצמי בכלי טיס. עוד נזכרים התנעת מנועים קרים, מתלים אקטיביים, טילים ופגזים מונחי GPS שעשויים להשתמש באולטרה-קבלים לתקשורת ולניווט, מערכות ימיות הדורשות פריקת הספק גבוהה, ונשק אנרגיה מכוונת.

חתימות ופגיעויות

תת-הפרק "חתימות ופגיעויות" הוא החלק המודיעיני המובהק במסמך. נכתב בו שאולטרה-קבלים עשויים להיות חשובים בפיתוח נשק אנרגיה אולטרה-רחב-סרט, תחום שלדברי המסמך נשלט עד כה בהתקני מתג מוליך-למחצה אקוסטיים (BASS), ושחיבור כמה קבלים במקביל מאפשר פריקה עוצמתית יותר. בשל קצב הפריקה הגבוה, לפי המסמך, אולטרה-קבלים יפלטו בעת פריקה חתימת RF רחבת-סרט אופיינית, שמקלט רחב-סרט צנוע עשוי לגלות; טווח הגילוי תלוי במבנה ההתקן. המחברים מוסיפים שלארכיטקטורה של התקן כזה עשויה להיות חתימה ייחודית, שסביבתו המיידית עשויה לשנות אותה ובכך לרמוז על סוג השימוש, ושבחיפוש אחר אולטרה-קבלים שאינם בשימוש, הפוטנציאלים האלקטרוסטטיים הגבוהים עשויים לספק רמז. לדבריהם הנושא "בהחלט מצדיק מחקר נוסף".

פרק 4 - התפתחויות אחרונות

הפרק פותח בכך שקבלים מבוססי תחמוצות בשכבה דקה התקרבו לגבול התאורטי של הקיבול (כ-1,000 פאראד לגרם למנגן דו-חמצני), אך מוליכות נמוכה הגבילה את עובי השכבה לכמה מיקרונים. אחר כך הוא עוסק בשלושה נושאים.

ננו-צינוריות ופחמנים מתקדמים: לפי המסמך, שליטה טובה יותר בגודל הנקבוביות צפויה לשפר את הקיבול ב-50 עד 100 אחוזים לעומת הפחמנים הקיימים. התוצאות הראשונות עם ננו-צינוריות היו נמוכות מהצפוי, דבר שיוחס לאופי ההידרופובי של דפנותיהן, ושינוי כימי של פני השטח הוא הפתרון המקובל. המסמך מתאר "יער" של ננו-צינוריות מיושרות שגודל במרכז הטכנולוגיה המתקדמת של לוקהיד מרטין (LMATC), ומציין שמתקן NEARLab של החברה מייצר סיבי זכוכית מצופים בננו-צינוריות שעשויים לשלב אגירת אנרגיה במבנה עצמו. לגרפן מיוחסים שטח פנים מחושב של עד 2,600 מ"ר לגרם, מוליכות תרמית של 5,000 W/m·K וניידות נושאי מטען של 200,000 סמ"ר לוולט-שנייה, וקיבולים מדווחים של 135 עד 205 פאראד לגרם באלקטרוליט מימי. נכתב שלוקהיד מרטין עוסקת במחקר גרפן. לפי המסמך, ממצאים של אוניברסיטת דרקסל (Drexel) הראו שנקבוביות קטנות מננומטר אחד תורמות משמעותית לאגירת המטען, אף שהיון המומס גדול מהן, והדבר מוסבר במודל של מעטפת יון מעוותת.

שכבות דקות: פחמן שמקורו בקרבידים (CDC) מופק בתהליך הדומה לצריבה יבשה בכלור בייצור שבבים, וניתן לבצעו בטמפרטורות של 200 מעלות צלזיוס לפחות. כך, לפי המסמך, אפשר לייצר אולטרה-קבלים זעירים על אותו שבב עם המעגלים שהם מזינים. בניסויים שתוארו, הקיבול הנפחי ירד ככל שהציפוי התעבה, במיוחד באלקטרוליט האורגני.

קבלים מגנטיים: המסמך מתאר את אפקט "הקיבול המגנטי הענק" (GMC) בשכבות דקות מתחלפות של חומר פרומגנטי ולא-מגנטי, שבדרך כלל מופיע הרבה מתחת ל-273 קלווין. לפי המסמך, חברת Northern Lights Semiconductor Corp. (NLSC) מפתחת מאז 2007 קבל מגנטי (MCap) המציג את האפקט מעל 300 קלווין: ננו-תא שבו שכבה דיאלקטרית קניינית בין שתי שכבות ממוגנטות, ומיליוני ננו-תאים מקושרים על פרוסת סיליקון. המסמך כותב שהקיבול שנמדד גדול פי 109 מזה של קבלים אלקטרוסטטיים (קריאה לא ודאית: ייתכן שזו חזקה, 10 בחזקת 9, שהמעריך שלה אבד ב-OCR), ושדליפה ופריקה עצמית "מסולקות למעשה" משום שהאלקטרונים "לכודים" בשדה המגנטי. לדבריו, בדיקות שערכו גורמים בלתי תלויים, ובהם Taiyo Yuden, מאששות את טענות הקיבול הגבוה, ומספר ההתקנים המציגים את האפקט עלה ב-2009. הערכת NLSC עצמה היא שבייצור המוני המכשיר יעלה על האנרגיה הסגולית של סוללות ליתיום-יון בעלות נמוכה בהרבה, ו"ישבש" את שוק הסוללות ואת שוק האולטרה-קבלים. המסמך גם כותב שבשילוב הניסיון של לוקהיד מרטין בננו-חומרים, סביר ש-NLSC תצליח בכך בזכות מומחיותה בפיתוח MRAM.

פרק 5 - התפתחויות עתידיות

הפרק מחלק את התחזית לשלוש תקופות. בעשור 2010-2020: מעבר לאלקטרודות אסימטריות, נוזלים יוניים לשימושים בטמפרטורה גבוהה, שילוב בממירי הספק, והתפשטות התקני שכבה דקה ו-MCap; אם ה-MCap יגיע לאנרגיה הסגולית של ליתיום-יון, נכתב, אימוצו יהיה מהיר ומהפכני, כפי שקרה לסוללות ליתיום-ברזל-פוספט. בשנים 2020-2030: שילוב מלא של פחמנים מתקדמים ומערכות היברידיות, חלופה לרותניום אוקסיד משיקולי מחיר והיצע, קבלים המשולבים בארכיטקטורת שבבים, וארכיטקטורות תלת-ממדיות. אחרי 2030, לפי המסמך, קשה לחזות, אך "כמעט כל המעגלים המיקרו-אלקטרוניים" ישלבו אולטרה-קבלים בשכבה דקה או MCap, ומחשבים ניידים יהיו בגודל של iPhone עם הפעלה קולית ברובם. בסוללות לרכב חשמלי ולרכב היברידי נטען, אולטרה-קבלים עשויים לאפשר גם הפחתת עלות בסדר גודל.

פרק 6 - מסקנות

המסקנות חוזרות על כך שאורך החיים "הבלתי מוגבל כמעט" של מחזורי הטעינה וההספק הגבוה הפכו את האולטרה-קבלים לרכיב מרכזי בניהול אנרגיה, ושהאימוץ הצבאי המוקדם היה מנוע טכנולוגי. לפי המסמך, שיפור אלקטרודת הפחמן לבדה עשוי להכפיל את צפיפות האנרגיה, ומערכות היברידיות צפויות לעמוד בעשרות אלפי מחזורים. הפסקה האחרונה קובעת שיש להבין היטב את "החתימות הספקטרליות הייחודיות" שהתקנים אלה מפיקים באגירת הספק גבוה ובטעינה או בפריקה, ושעל ממשלת ארצות הברית ומפתחי המערכות עבורה לפתח, להבין ולאמץ אולטרה-קבלים מתקדמים. פרק 7 הוא רשימת 47 הערות שוליים, רובן מאמרים מדעיים מהשנים 1999-2010, ובהם פרסומים בכתבי העת Science ו-Nature Nanotechnology וניירות עמדה של יצרנים.

פרטים בולטים

• המסמך מתוארך ל-1 בנובמבר 2010, ותאריך סגירת המידע שלו הוא 20 ביולי 2010.
• לפי המסמך, לאולטרה-קבלים פחות מ-10% מהאנרגיה הסגולית של סוללות ליתיום-יון, אך הם נטענים ונפרקים בכשנייה, לעומת 3 עד 5 דקות לסוללה.
• ההתקן במתכונתו המודרנית הומצא ב-1966 בחברת SOHIO, ו-NEC השיקה את ה-SuperCapacitor ב-1978.
• בלימה רגנרטיבית במערך משולב של אולטרה-קבל וסוללה מחזירה, לפי המסמך, עד 38% מאנרגיית ההנעה.
• המסמך מעריך שאולטרה-קבל בעת פריקה פולט חתימת RF רחבת-סרט שמקלט צנוע עשוי לגלות, וממליץ על מחקר נוסף בנושא.
• חברת לוקהיד מרטין מוזכרת שוב ושוב: יער ננו-צינוריות שגודל במעבדותיה, מחקר גרפן ושילוב ניסיונה עם NLSC בפיתוח הקבל המגנטי.
• התחזית לאחר 2030 כוללת מחשבים ניידים בגודל של iPhone ושילוב אולטרה-קבלים כמעט בכל מעגל מיקרו-אלקטרוני.

מה לא נמצא במסמך

• שמות המחברים ושם מנהל התוכנית אינם מופיעים, ובמקומם כינויים מסוג "AAP Person". אין במסמך השחרות נוספות הנראות בטקסט.
• אין במסמך אזכור של עב"מים, UAP או כל אירוע. המיקום "לאס וגאס, נבדה" שבתיאור הרשמי באתר war.gov אינו מופיע בטקסט, והכתובת היחידה במסמך היא כתובת ה-DIA בוושינגטון.
• נתוני רוב השורות בטבלת ההשוואה בין סוללות לאולטרה-קבלים (אורך חיים, אנרגיה והספק סגוליים, יעילות ועלות), הגרפים ותרשימי הניסויים כמעט אינם קריאים ב-OCR.
• טבלה 2, המשווה מוצרים מסחריים, מוזכרת בטקסט אך אינה מופיעה בו, וגם עמודים 7 ו-16 חסרים ברצף. סוף פרק 2 נקטע באמצע משפט.
• כמה מספרים בתיאור הקבל המגנטי (פי 109 בקיבול ובמקדם הדיאלקטרי, ויעד הייצור ההמוני) נראים כחזקות שהמעריך שלהן אבד בסריקה, ולכן אינם ודאיים.
• המסמך אינו מפרט את מקורן של בדיקות ה-MCap מעבר לאזכור Taiyo Yuden, ותחזית הביצועים והעלות לקוחה מהערכת NLSC עצמה.

מונחים

• DIRD - מסמך עזר מודיעיני ביטחוני (Defense Intelligence Reference Document), פורמט עזר טכני של ה-DIA.
• ICOD - תאריך סגירת המידע במסמך מודיעיני.
• אולטרה-קבל - קבל אלקטרוכימי האוגר מטען בשכבה החשמלית הכפולה שבין אלקטרודה לאלקטרוליט.
• פסאודו-קבל - קבל אסימטרי שאחת מאלקטרודותיו דמוית סוללה.
• CDC - פחמן שמקורו בקרבידים (Carbide-Derived Carbon), פחמן נקבובי שגודל נקבוביותיו ניתן לכוונון מדויק.
• GMC ו-MCap - קיבול מגנטי ענק (Giant Magneto Capacitance), והקבל המגנטי של NLSC המבוסס עליו.
• גרף רגונה - גרף לוגריתמי של צפיפות הספק מול צפיפות אנרגיה.