עובדי בית חולים באזור שיקגו שבארצות הברית התלוננו שמכשירי האייפון שלהם הפסיקו לעבוד במהלך התקנה של מכשיר MRI חדש. האם המכשיר פלט הבזק מגנטי שהרס אותם? לא. האשם, מתברר, הוא בדליפה של גז ההליום שמשמש לקירור המערכת.

סיפורנו מתחיל בבית חולים אחד באזור שיקגו. אדם בשם אריק וולדרידג' מתקין מכונת דימות מגנטי (MRI) חדשה, ובמהלך ההתקנה מקבל דיווחים על כך שטלפונים סלולריים מסוג אייפון הפסיקו לעבוד [1]. לדיווחים האלה מצטרפות תלונות על שעונים חכמים של חברת אפל שמתנהגים מוזר. מה יחשוב אדם הגיוני? אולי מכשיר ה-MRI, שאחד הרכיבים שלו הוא מגנט רב עוצמה, פלט בטעות פעימה אלקטרו-מגנטית (EMP). אבל אדם הגיוני יחשוב עוד קצת, ויבין שבמקרה כזה, כל המכשירים החשמליים הנמצאים בבית החולים יפסיקו לעבוד. הבעיה הופיעה רק בטלפונים ושעונים חכמים. באופן פרטני יותר, הבעיה הופיעה רק בטלפונים ושעונים חכמים מתוצרת חברת אפל. מעבר לכך, רוב הטלפונים חזרו לעבוד אחרי פרק זמן ממושך (שעות עד ימים). מה עושים עם חידה שכזאת? שואלים את האינטרנט, כמובן.

האינטרנט הציע שהבעיה נובעת מדליפה של גז הליום לחלל הבניין במהלך ההתקנה. מתברר שאכן הייתה דליפה. מה לגז הליום ולתרדמת של אייפונים? כדי להסביר את הסיבה נצטרך זמן. לא, לא - אל תלכו. זה לא יהיה ארוך, הכוונה היא שצריך להסביר איך מודדים זמן בטלפונים החכמים שלכם. כי אי אפשר בלי למדוד זמן, אחרת איך נדע אם הזרם שמדדנו עכשיו היה ביט אחד או שניים? אולי שלושה? בקיצור, כל המחשבים בעולם ובכללם המכשירים הפלאיים שרובנו מחזיקים בכיס (או ביד, אם אתם קוראים דרך הטלפון) צריכים דרך למדוד זמן. שעוני סבא מודדים זמן עוד מהמאה ה-17 [2] על ידי תנועה של מטוטלת. אם מכוונים את המשקל והאורך של המטוטלת בדיוק, אפשר לסדר שתנודה שלה מצד לצד תיקח בדיוק שניה אחת. אבל שניה זה מלאאא זמן. בשניה, הטלפון שלנו יכול לעשות יותר ממיליארד פעולות, כפי שמרמזת תדירות המעבדים שנמדדת במיליארדים לשניה - ג'יגה הרץ. חוץ מזה, מטוטלת זה ממש כבד ולא נכנס לי בכיס, אז מה עכשיו?

מה שבדרך כלל משתמשים בו כדי למדוד זמן במכשירים אלקטרוניים וגם בשעוני יד חדשים הוא קולן מקווארץ. קולן הוא מזלג בעל שתי שיניים שרוטטות זו ביחס לזו בתדר מסוים. לחלק מהמוזיקאים ביניכם אולי יש קולן מתכת שרוטט בתדר של התו "לה", שהוא 440 פעמים בשניה. קולני קווארץ מנצלים את העובדה שקווארץ הוא חומר שמייצר מתח חשמלי כאשר הוא נמתח או מתכווץ (פיאזואלקטרי). תכונה זו יוצרת חיבור טבעי בין התנודות של החומר והקריאה החשמלית שנעשית בקלות במכשירים אלקטרוניים. קולני קווארץ מיוצרים במגוון גדלים, אבל התדר שלהם מכוון באופן נפוץ לשתיים בחזקת חמש עשרה הרץ, שזה בערך 32 קילו-הרץ [3]. עובדה חשובה על קולנים היא שאיכות התנודה שלהם תלויה מאוד בסביבה שהם מתנדנדים בתוכה. אם תכניסו קולן "לה" למים, תראו שהמים משפריצים אבל לא תשמעו את הקולן אחרי כמה שניות בגלל שהחיכוך עם המים גורם לאיבוד אנרגיה מהיר. בתדרים גבוהים, גם האוויר משפיע ולכן סוגרים את קולני הקווארץ במין פחיות מתכת קטנות, שמהן שואבים את האוויר כך שהקולן רוטט בוואקום.

קולני קווארץ ללא איטום הוואקום

האם משתמשים בקולני קווארץ באייפונים? מתברר שלא. קולני קווארץ נוטים להיות גדולים מאוד - מילימטר בערך, שזה גדול מאוד בעולם הטלפונים החכמים. בנוסף, הם לא טובים בלשמור על התדר שלהם בטמפרטורות קיצוניות, והם גם לא עשויים מסיליקון [4]. מה שכן עשוי מסיליקון הם הקולנים החדשים והמגניבים שיש באייפון, ולא רק באייפון. הצורך במזעור והקלות שבה ניתן לשלב רכיבי סיליקון חדשים בתעשיה, הביאו להמצאת ה-MEMS. ממס הם ראשי תיבות של מערכות אלקטרו-מכניות מיקרוסקופיות (Micro Electro Mechanical Systems), וכתבנו עליהם בקצרה בעבר [5]. בדיוק כמו קולנים, גם כאן מדובר על רכיב רוטט שניתן לקרוא את הרטט שלו חשמלית. כמו שניחשתם, גם כאן חשוב מאוד שהרכיב הרוטט ירטוט בסביבה של ריק (וואקום) בה אין מולקולות (או שיש בה מעט מאוד מולקולות).

מתברר, שהבידוד של הרכיבים שבשימוש באייפונים ובשעונים החכמים שחוו את התקלה לא מצליח למנוע ממולקולות קטנות כמו הליום לחדור דרכו ולשבש את פעולת הממס. אם אין שעון, המעבד מפסיק לעבוד. אם המעבד מפסיק לעבוד גם הטלפון מפסיק לעבוד. אחרי שעובר מספיק זמן, ואם הטלפון המושפע עובר לסביבה שבה אחוז ההליום באוויר נמוך משמעותית, ההליום יוצא כמו שהוא נכנס ומתפוגג. במאמר שכתב על התופעה קייל ויינס בבלוג של ארגון iFixit, הוא מצטט מהמדריך למשתמש של האייפון שאכן מזהיר מפני חשיפה של הטלפון לגזים כמו הליום [1]. התעלומה נפתרה.
אבל, רגע, כמה הליום כבר דלף ואיך אף אחד לא שם לב? מתברר שלא צריך כל כך הרבה הליום. בן קרסנאו, בערוץ היוטיוב שלו "Applied Science", בדק איזה לחץ של הליום גורם לממס להפסיק לעבוד. הוא ראה שכבר בלחץ חלקי של שתי מאיות האטמוספירה הליום, התדירות יורדת באופן חד והממס למעשה מפסיק לעבוד. שתי מאיות האטמוספירה הן שני אחוזים. אם נשווה להרכב האוויר שאנחנו רגילים אליו [7] כשאנחנו לא בסביבה שבה מתקינים מכשירי MRI זהו הבדל לא מורגש. רק אל תמלאו הליום בבלונים ליד האייפון שלכם.

הערה: למעוניינים לנסות, או לחוששים מביניכם, נראה שהבעיה מתרחשת באייפונים מדגם 6 ומעלה, ובשעונים מסדרה 0 ומעלה. בנוסף, לא רק הליום מהווה בעיה, כל גז שהחלקיקים שלו קטנים מספיק כדי לחדור את האיטום יכול לגרום לתופעה.

מקורות ולקריאה נוספת

[1] - הדיווח על המקרה באתר ifixit.org
[2] - https://en.wikipedia.org/wiki/Grandfather_clock
[3] - תמונה של קולני קווארץ מחוץ לכיסוי המתכת שלהם
[4] - עוד פיזיקאי כותב על איך מודדים זמן בטלפונים חכמים
[5] - איך למדוד גובה של עץ בעזרת MEMS
[6] - הסרטון של בן קרסנואו שמראה את הניסוי שעשה
[7] - הרכב האוויר מאתר סוכנות החלל האמריקאית