پودر فلزات سوخت جایگزین دنیای آینده
یك محقق آمریكایی طرحی را تكمیل كرده كه بر اساس آن خودروهای آینده به جای بنزین و گازوئیل از توده های فلزاتی مانند آهن و آلومینیوم و بورون به عنوان سوخت استفاده می كنند.
دیو بیچ Dave Beachاز آزمایشگاه ملی اوك ریج در تنسی، توده های فلزات را به پودری از ذرات در ابعاد نانومتر تبدیل می كند.این امر موجب می شود كه قابلیت واكنش پذیری و اشتعال این توده بشدت افزایش یابد.
با آتش زدن این توده پودر مقادیر بسیار زیادی انرژی آزاد می شود. محاسبات بیچ نشان می دهد كه یك اتومبیل معمولی كه باك بنزین آن تغییر یافته باشد و به بنزین پر از این نوع پودرهای فلزی باشد، می تواند تا سه برابر بیشتر از اتومبیلهای كنونی سفر كند.
از این مهمتر به علت نوع سوختن این ذرات نانو، میزان آلودگی تولید شده به وسیله آنها تقریبا صفر است. به این ترتیب سوخت فلزی به معنای آن است كه نه دی اكسید كربنی بوجود می آید نه گرد و خاك و دوده ای تولید می شود و نه اكسید نیتروژن به هوا متصاعد می شود.
این سوخت كاملا قابل بازیافت است. به این ترتیب سوخت جدید می تواند نوید بازگشت عصر آهن دوباره ای را بدهد.
همه انواع موتورها از موتور اتومبیل ها گرفته تا موتور واحدهای گرمایی و تهویه مطبوع تا توربین نیروگاهها را می توان به گونه ای تغییر داد كه بتوانند از سوخت جدید استفاده كند.
ایده پر كردن باك بنزین از پودر فلز به ظاهر عجیب می نماید اما موتورهای اتومبیلها می توانند با انواع مواد از متان تا پودر زغال و تا باروت كار كنند.
اما حسن پودر فلز آن است كه در حجم مساوی دوبرابر بیشتر از بنزین انرژی آزاد می كند و تازه اگر به جای آهن از بورون استفاده شود بازده تولید انرژی به جای دو برابر تا پنج برابر افزایش می یابد.
در موشكهایی كه سفینه های فضایی را بالا می برند پیشاپیش از این نوع سوختهای پودر فلز استفاده می شود. اندكی پودر آلومینیوم كه سوخت جامد موشك اضافه شود توان بالا بری آن را به مراتب افزایش می دهد.
در اژدرها و موشكهای جنگی نیز از این نوع سوخت استفاده به عمل می اید. اما قرار دادن پودر فلز داخل موشك یك مساله متفاوت با جای دادن آن درون باك اتومبیل برای تغذیه موتور ان است.
زمانی كه ذرات آهن یا الومینیوم در معرض هوا قرار می گیرند با لایه ای از اكسید پوشیده می شوند و برای آتش زدن سوخت لازم است این لایه برداشته شود. برای این منظور در اغلب فلزات دمای محیط باید تا دو هزار درجه سانتیگراد افزایش داده شود. این دما برای كپسول سوخت یك موشك دمای مناسبی است اما برای اتاقك اتومبیلی كه سرنشینان آن قصد رسیدن به مقصد را دارند ایده جالبی به نظر نمی رسد.
یك مشكل دیگر آن است كه زمانی كه فلز اكسیده شده شروع به سرد شدن می كند تبدیل به جامد می شود و شكل خاكستر به خود می گیرد و از بین بردن این توده خاكستر در درون اتاقك احتراق موشكها كار آسانی است اما در درون موتورهای احتراق درونی اتومبیلها این كار یك كابوس است.
سولومن لابینف كه در همان آزمایشگاه اوك ریج به پژوهش اشتغال دارد با این دشواریها آشنا است. در اوایل دهه ۱۹۸۰زمانی كه او مدیر موسسه مهندسی كیف در اوكراین بود او و همكارانش ذرات میكرومتری آهن را در موتورهای احتراق درونی اتومبیلها می سوزاندند. آنان موتورها را چنان تغییر داده بودند كه می توانستند در دمای بالا كار كنند.
اما مشاهده كردند كه خاكستر اكسید فلز در روی پیستونها و درون بدنه سیلندرها و درون شیرهای توزیع سوخت باقی می ماند و مانع كار موتور می شود. درآن زمان این گروه از محققان اوكراینی نتوانستند راه حلی برای مساله پیدا كنند. لابینف در سالهای بعد به آمریكا مهاجرت كرد و در آزمایشگاه اوك ریج سرگرم پژوهش شد.
او در سال ۲۰۰۳به بیچ و بابی سومپتر كه نظریه پرداز است پیشنهاد كرد دوباره به مساله توجه كنند و این بار از ذرات نانو كمك بگیرند. در آزمایشهایی كه صورت گرفت آنان متوجه شدند اگر ابعاد ذرات آهن در مقیاس نانو در حدود ۵۰نانو متر باشد بهتر از بقیه حالات آتش می گیرد.
در مورد این ذرات كافی بود دمای محیط تنها تا ۲۵۰درجه بالا رود یا آنكه تنها یك جرقه در اتاقك سوخت زده شود. بررسیهای بعدی نشان داد كه نحوه رفتار ذرات در ابعاد نانو با نحوه رفتار آنها در ابعاد میكرو تفاوت های بارز دارد.
ذرات در ابعاد نانو به مراتب بهتر می سوزند علت این امر آن است كه نسبت سطح به هوا، در این ذرات بسیار زیاد است و بنابراین حجم زیادی اكسیژن برای سوختن در اختیار دارند. آهن با سرعت و سهولت زیاد با اكسیژن واكنش شیمیایی انجام می دهد و بنابراین اگر یك قسمت از اهن در معرض اكسیژن قرار گیرد اكسیده شدن سبب آتش گرفتن آن می شود و احتراق بسرعت به بقیه توده نیز سرایت می كند.
به همین علت برای جلوگیری از آتش گرفتن پودر ذرات آهن لایه اكسید بر روی آنها قرار داده می شود. سطح وسیع ذرات نانو این مزیت را دارد كه با تنها اندكی حرارت دادن این توده كه دارای لایه محافظ اكسید است، اكسیژن می توان مشتعل شود و بقیه مجموعه را محترق سازد.
یك نتیجه این امر آن است كه همینكه ذرات نانو به وسیله مثلا یك جرقه آتش گرفتند با سرعت می سوزند و دمای اتاق احتراق را تا ۸۰۰درجه بالا می برند. این دما برای انجام كار مفید مناسب است اما آنقدر بالا نیست كه بدنه موتور را كه از جنس آلیاژ مقاوم است در معرض خطر قرار دهد. نكته مهم آنكه ذرات نانو بر خلاف ذرات میكرو، آنگونه نمی سوزند كه بخار یا دوده تولید كنند یا آنكه ذوب شوند.
این ذرات صرفا اكسیده می شوند و در جای خود توده ای از ذرات نانو اكسیده شده برجای می گذارند. معنای این امر آن است كه هیچ جرم مزاحم به سیلندرو پیستون و شیرها نمی چسبد و باعث از كار افتادن موتور نمی شود.این توده ذرات اكسیده شده را دوباره می توان به صورت ذرات فلز نانو درآورد و از آنها به عنوان سوخت استفاده كرد.
بیچ این توده اكسیده شده را حرارت داد و تا دمای ۴۲۵درجه سانتیگراد گرم كرد. ذرات اكسید آهن دوباره به آهن تبدیل شدند و اكسیژن آزاد شده با هیدروژن تركیب شد و آب تولید كرد. به این ترتیب ذرات نانو بار دیگر برای استفاده به عنوان سوخت آماده بودند.
برای استفاده از ذرات نانو به عنوان سوخت یك مساله دیگر باقی بود. هر یك از ذرات نانو به تنهایی به صورت یك جرقه می سوزد و حرارت خود را در یك هزارم ثانیه آزاد می كند. اما برای تبدیل این ذرات به سوخت مفید برای موتورهای مختلف آهنگ سوختن این ذرات نباید این اندازه سریع باشد.
در موتورهای احتراق داخلی هر یك از انفجارهای آزادكننده انرژی بین ۵تا ۲۰هزارم ثانیه به طول می انجامد. اگر حرارت در زمانی كوتاهتر آزاد شود، بازده سوخت در پائین تر از حد مطلوب قرار خواهد داشت.
گروه محققان ازمایشگاه اوك ریج كوشیدند تا با فشرده كردن ذرات به صورت خوشه های طویل تر زمان سوختن آنها را طولانی تر كنند. ایده آن بود كه هم از سرعت رسیدن اكسیژن به سوخت بكاهند و هم از سرعت انتقال حرارت در توده ذرات نانو تا به این ترتیب سرعت آتش گرفتن مجموعه كاهش یابد.
این نقشه با موفقیت نتیجه داد. بیچ و همكارانش دریافتند كه می توانند خوشه هایی از ذرات نانو درست كنند كه هر یك بین یك تا ۲۰۰میلی گرم وزن دارد و با تنظیم شكل این خوشه ها و تنظیم چگالی بخشهای مختلف آنها می توان آهنگ اشتعال هر خوشه را كنترل كرد.
در حالیكه هر تك ذره با سرعت و سهولت مشتعل می شود خوشه هایی كه به این ترتیب درست شده اگر به اندازه مناسب بلند باشند برای سوختن به ۵۰۰تا ۲ هزارم ثانیه زمان نیاز دارند.
اكنون كه بخش اول تحقیقات در مورد سوخت پودر فلزات به انجام رسیده این محققان درصددند تا موتوری را طراحی كنند كه بتواند با این نوع سوخت به نحو بهینه كار كند. به اعتقاد بیچ تبدیل یك موتور احتراق بیرونی نظیر توربین گاز در یك هواپیما یا موتور یك وسیله نقلیه مانند تانك یا حتی آن نوع توربینها كه در نیروگاهها به كار می رود و برق تولید می كند به موتورهای احتراق بیرونی كه با این ذرات نانو كار می كنند كار نسبتا ساده ای است.
در این نوع موتورها تنها كافی است سیستم انتقال و تحویل سوخت دستخوش اندكی تغییر شود و راهی برای جمع آوری سوخت مصرف شده به منظور بازیافت آن پیدا كرد. یك گزینه دیگر عبارت از استفاده از این سوخت برای به حركت در آوردن یك موتور استرلینگ است. این موتور یك موتور احتراق خارجی با بازده بسیار بالا است كه در آن سوخت اعم از گاز یا سیال به نحو متناوب سرد و گرم می شود و پیستون را به حركت در می آورد.
این نوع موتورها مصارف خانگی در جاهایی كه حرارت و قدرت تركیب می شوند و در مصارف تجاری در سیستم خنك كننده ماهواره ها استفاده می شود. در مورد خودروها نیز استفاده از این نوع موتور استرلینگ امكان پذیر است.
ناسا و شماری از سازندگان خودرو از جمله شركت فورد سرگرم آزمایش این موتور بر روی اتومبیلها هستند اما بیچ امیدوار است بتواند این نوع سوخت پودر فلز را در مورد اتومبیلهای احتراق داخلی نیز مورد استفاده قرار دهد یك موتور دیزل تغییر شكل یافت می تواند این پودر نانو را درست نظیر سوخت گازوئیل در موتورهای معمولی مورد استفاده قرار دهد.
به نظر بیچ می توان پودر نانو را از درون یك مخزن به درون محفظه سیلندر پاشید و اكسیژن لازم برای احتراق را نیز فراهم آورد. یك جرقه می تواند موجب احتراق سوخت در محفظه احتراق شود و پیستون را به حركت درآورد.
محققان باید در عین حال راهی برای جمع آوری سوخت مصرف شده پیدا كنند. یك راه حل عبارت است از انبار كردن سوخت مصرف شده در سیلندرهایی كه دارای غشاهای مجزاكننده متحرك هستند و كپسول را به دو بخش تقسیم می كنند.
در یك بخش پودر استفاده نشده قرار داده می شود و در بخش دیگر سوخت مصرف شده و پودر سوخته شده را می توان با كمك یك فیلتر یا صافی جمع آوری كرد. از آنجا كه اكسید آهن خاصیت آهنربایی دارد می توان با كمك یك مغناطیس برقی این سوخت را جمع آوری كرد.
زمانی كه راننده می خواهد مخزن سوخت خود را پر كند می توان كل كپسول را خالی كرد و آن را از پودر تازه پر ساخت. نتیجه عمل موتوری خواهد بود مشابه موتورهای كنونی اما در نتیجه كار كردن آن هیچ یك از مواد آلوده سازی كه موتورهای كنونی تولید می كنند بوجود نمی اورد. البته هنوز برای آنكه بتوان از سوخت جدید و موتورهای مناسب آن بهره گرفت باید كارهای زیادی در خصوص رابطه میان دما، سرعت احتراق و كاركرد موتور به انجام رساند.
خودرویی كه با این نوع سوخت كار می كند باید هم رانندگان را راضی كند و هم طرفداران محیط زیست را راضی نگاه دارد. البته هنوز جنبه های منفی مهمی وجود دارد كه باید بر آنها غلبه شود. یك مشكل اصلی مساله وزن است. بنا به اظهار نیتن گلاسگو از موسسه مشاوره راكی مانتین هرچند آهن در قیاس با هیدروژن سوخت فشرده ای به شمار می آید اما بسیار سنگین است و هرچند یازده انرژی آن برای یك باك پر دوبرابر بنزین است اما وزن این باك نیز دو برابر وزن باكی خواهد بود كه پر از بنزین باشد و با توجه به آنكه سوخت مصرف شده در درون خود اتومبیل نگاهداری می شود این وزن اضافی در جریان سفر از بین نمی رود.
به اعتقاد دیوید كیث فیزیكدان از دانشگاه گلگری در آلبرتا جنبه های علمی طرح جدید دقیق و قابل قبول است اما مساله وزن، برای این نوع سوخت مشكل افزا خواهد بود. به گفته این فیزیكدان سوخت هیدروژنی، در صورتی كه بتوان بر مشكلات آن فائق آمد- بهترین سوخت محسوب می شود زیرا در هر كیلوگرم ۱۲برابر آهن انرژی در خود ذخیره می كند.
اما بیچ با این استدلالها موافق نیست. به اعتقاد او سوخت آهن مطمئن تر ، ایمن تر، راحت تر و سهل الاستفاده تر از سوخت هیدروژنی است. مهندسان هنوز برای جا دادن هیدروژن در محفظه های مناسب برای حمل در خودروها با مشكلات زیاد روبرو هستند در حالیكه سوخت فلزی از هم اكنون قابل استفاده است.
از این گذشته سوخت هیدروژنی با یك مشكل جدی روبروست: در استفاده از سوخت هیدروژنی، محصولی كه از احتراق به دست می آید آب است و این آب در محیط آزاد می شود. اما بسیاری از كارشناسان محیط زیست معتقدند در صورت رواج یافتن اتومبیلهای هیدروژنی میزان ابی كه از طریق آنها وارد جو زمین خواهد شد آنقدر زیاد خواهد بود كه شرایط آب و هوایی كره زمین را كاملا دگرگون خواهد كرد.
در برابر بازیافت فلز از اكسید فلز نیز به آب نیاز دارد اما این عمل بازیافت در مراكزی كه در نظیر پمپ بنزینهای كنونی در كنار جاده ها برپا می شوند صورت می گیرد و می توان در آنها آب حاصل از عمل را جمع آوری و از ورود آن به جو جلوگیری كرد و حتی این امكان وجود دارد كه با استفاده از عمل الكترولیز دوباره ان را به صورت هیدروژن و اكسیژن درآورد.
حتی می توان به كلی از استفاده از هیدروژن در بازیافت فلز دست برداشت به این شرط كه بتوان عمل جداسازی و مجزا كردن كربن را تحقق بخشید و در این صورت می توان از مونو اكسید كربن برای بازیافت فلز استفاده كرد. در جریان عمل اكسید كربن تولید می شود. مونو اكسید كربن یكی از محصولات فرعی گازی كردن زغال است. این فناوری درآینده نزدیك به منظور كاستن از آلودگی هوا در بسیاری از كشورها از جمله چین به كار گرفته خواهد شد.
از این مونو اكسید تولید شده در فعالیت گازی كردن زغال می توان برای بازیافت فلز استفاده به عمل آورد و به این ترتیب به یك كرشمه چند كار را به انجام رساند. البته شرط استفاده جنانكه گفته شد آن است كه بتوان چاره ای برای دی اكسید كربن تولید شده پیدا كرد.
بیچ در مورد مساله وزن معتقد است می توان به جای آهن از ذرات آلومینیوم در مقیاس نانو استفاده كرد و این ذرات در هر كیلو گرم وزن تقریبا به همان اندازه آهن انرژی آزاد می كنند. اگر از ذرات بورون استفاده شود كه در هر كیلوگرم وزن شش برابر آهن انرژی به دست می آید. اما از آنجا كه این دو فلز از آهن گرانترند قیمت سوخت تولید شده به وسیله آنها نیز گرانتر خواهد بود. به عنوان مثال بهای آلومینیوم ۱۵ برابر بهای آهن است.
با این حال محققان آزمایشگاه ملی اوك بریج هنوز در آغاز راهند و در حال حاضر در صدد تكمیل نخستین نمونه عملی موتوری هستند كه با سوخت فلزی كار می كند این امر به نیت برآورد هزینه های واقعی این محصول است. این پژوهشگران همچنین در نظر دارند با انجام سلسله ای از آزمایشها اندازه بهینه ذرات نانو را كه برای پودر شدن و استفاده به سوخت مناسبند مشخص سازند.
زمینه های دیگر از جمله بهترین شیوه بسته بندی و انبار كردن سوخت و تزریق آن به موتور نیز نیازمند بررسیهای دقیق تر است. اما نتیجه این بررسیهای هرچه باشد گروه پژوهشگران اوك ریج امكان تازه ای را در عرصه پاسخگویی به نیاز به سوخت برای موتورهای صنعتی مطرح ساخته اند كه براحتی نمی توان از كنار آن گذر كرد و آن را نادیده گرفت.
منبع : ویستا نیوز هاب به نقل از مجله گسترش صنعت
