تكنولوژي جديد شمع، كليد ساخت خودروهاي فوق كم مصرف

امروزه چيزي حدود يك ميليارد خودرو در جاده‌هاي جهان وجود دارد و تقريبا همه‌ي آن‌ها از احتراق داخلي انرژي مي‌گيرند. اين فناوري ۱۵۰ ساله در قلب اكثر اشكال حمل‌و‌نقل از هواپيما گرفته تا قطار يا كشتي وجود دارد. اهميت موتور چنان است كه نسل‌هاي مختلفي از افراد باهوش زندگي و سرمايه‌ي زيادي را وقف بهتر كردن آن كرده‌اند. با‌اين‌حال، موتور احتراق داخلي نقص مهمي دارد: سياره‌ي ما را مي‌كشد.

بيشتر موتورهاي احتراق سوخت‌هاي فسيلي را مي‌سوزانند و در اين فرايند گازهاي گلخانه‌اي نظير كربن‌دي‌اكسيد و نيتروژن اكسيد توليد مي‌كنند. در كشور آمريكا، با اينكه سياست‌هاي متعددي براي محدود كردن اثرات زيست‌محيطي ناشي‌از حمل‌و‌نقل طراحي شده است، اين بخش مسئول تقريبا يك سوم از انتشارات گازهاي گلخانه‌اي است. موتور احتراق داخلي اساسا فناوري كثيفي است؛ اما روش‌هاي زيادي براي پاك‌تر كردن آن وجود دارد. اين موتورها با يك جرقه و به‌عبارت دقيق‌تر به كمك شمع جرقه‌زن روشن مي‌شوند.

ديويد هاول، مدير دفتر فناوري وسايل نقليه‌ي وزارت انرژي آمريكا است و مدت زمان زيادي است كه درمورد نحوه‌ي ساخت موتورهاي بهتر فكر مي‌كند. امسال حدود ۷۰ ميليون دلار ( تقريبا يك چهارم از بودجه سالانه‌ي دفترش) صرف توسعه و تحقيق درزمينه‌ي احتراق و سوخت خواهد شد. هاول مي‌گويد: «ما درزمينه‌ي وسايل نقليه برقي داراي باتري شاهد پيشرفت‌هاي زيادي هستيم اما موتورهاي احتراق داخلي مدت زمان زيادي است به يك شكل باقي مانده‌اند.»

در موتورهاي احتراقي، ارتباط محكمي ميان بازده و ميزان انتشارات وجود دارد. موتور پربازده‌تر از سوخت كمتري براي انجام همان مقدار كار استفاده مي‌كند و سوخت كمتر به‌معناي انتشار گازهاي گلخانه‌اي كمتر است. سال‌ها است دفتر فناوري وسايل نقليه روي جايگزيني بنزين معمولي با سوخت‌هاي زيستي سازگار با محيط‌زيست متمركز شده است. هاول مي‌گويد: «موتور احتراق داخلي مي‌تواند از انواع مختلفي از سوخت‌ها استفاده كند و برخي از آن‌ها تاحدودي تجديدپذير هستند.»

موتور خودروي معمولي هوا و گاز را در محفظه‌ي احتراق با هم تركيب مي‌كند و سپس با استفاده از شمع اين مخلوط را مشتعل مي‌كند. اين فناوري كه يك قرن قدمت دارد، در محفظه‌ي احتراق قرار داشته و نزديك بالاي موتور در سر سيلندر نصب شده است. وقتي پيستون به سمت بالاي محفظه‌ حركت مي‌كند، تركيب سوخت و هوا را متراكم مي‌كند و شمع جرقه‌ي الكتريكي سريعي را ايجاد مي‌كند. درنتيجه‌ي برخورد شديد مولكول‌ها، گرما توليد شده و گازهاي گلخانه‌اي را توليد مي‌كند كه از اگزوز خودرو خارج مي‌شود.

يكي از راه‌هاي كاهش انتشارات آن است كه هواي بيشتري را حين احتراق با سوخت مخلوط كرد؛ يعني از «سوخت رقيق» استفاده كرد. ايده ساده است: مخلوط سوخت و هوا را با استفاده از هواي بيشتر رقيق كنيد؛ اما انجام اين كار ساده نيست.

موتورهاي احتراقي در نسبت‌هاي بسيار خاصي از «سوخت به هوا» بهترين عملكرد را دارند. انحراف از نسبت مذكور مي‌تواند سريعا مبدل كاتاليزوري موتور (سيستمي كه براي تبديل گازهاي مضري نظير نيتروژن اكسيد به مواد بي‌خطرتر طراحي شده است) را ناكارآمد كند. در نقطه‌ي خاصي، هوا چنان زياد است كه موتور اصلا نمي‌تواند مخلوط سوخت و هوا را مشتعل كند.

ويليام نورثروپ، مدير آزمايشگاه موتور در دانشگاه مينه‌سوتا مي‌گويد: «اگر بتوانيد بسيار رقيق كار كنيد، شايد ازانديشه متخصصين بازده موتور به مزاياي واقعي برسيد. خودروسازان مدت زمان زيادي است كه سعي مي‌كنند موتورهاي آن‌ها رقيق كار كند. اما در نقطه‌اي به محدوده‌ي اشتعال‌پذيري مي‌رسيد كه چيزي است كه ما آن را محدوده‌ي رقت مي‌ناميم.»

موتوري كه مي‌‌تواند به محدوده‌ي اشتعال‌پذيري نزديك شود و همچنان به احتراق دست يابد، همان چيزي است كه ديميتريس آسانيس، متخصص كارشناس احتراق پيشرفته دانشگاه استوني بروك آن را جام مقدس ترموديناميكي مي‌نامد. هواي اضافي موجود در مخلوط همچون يك گرماگير عمل مي‌كند و مقداري از انرژي آزاد شده حين احتراق را جذب مي‌كند. اين امر موجب پايين آمدن دماي احتراق مي‌شود كه براي تقويت كارآيي موتور و كاهش انتشارات آن حياتي است.

اما در اين جا اشكالي وجود دارد. دان سينگلتون مديرعامل و هم‌بنيانگذار شركت Transient Plasma Systems مي‌گويد: «شما نمي‌توانيد اين مخلوط‌هاي رقيق‌شده با هوا را با استفاده از شمع‌هاي جرقه‌زن معمولي روشن كنيد. آن‌ها انرژي را بسيار آهسته منتقل مي‌كنند.» هواي اضافي موجود در محفظه، گرماي جرقه را قبل از اينكه بتواند به اندازه‌ي كافي پخش شود تا واكنش احتراق را آغاز كند، خنك مي‌كند.

سينگلتون و همكارانش از سال ۲۰۰۹ درحال توسعه‌ي سيستم‌هاي جرقه‌زني هستند كه بتواند اين اشكال موتورهاي رقيق‌سوز را حل كند. اين كار با يونيزه‌كردن هواي اطراف الكترودهاي شمع و ايجاد پالس‌هاي پلاسمايي براي ايجاد اين پالس‌هاي پلاسمايي، بايد چندين مگاوات توان را در طول تنها چند نانوثانيه فراهم كرد. چنين تواني برابر با آزادكردن قدرت ۶ كاميون در زماني بسيار كمتر از وقوع صاعقه است.

احتراق ناشي از شمع سنتي (راست) دربرابر احتراق ناشي از پلاسما (چپ)

سيستم جرقه‌زن پلاسمايي سينگلتون از يك «پاور» تشكيل شده كه كمي شبيه روتر اينترنت است. اين سيستم به مجموعه‌اي از شمع‌هاي پلاسما در هر سر سيلندر موتور متصل است. پاور، انرژي را از باتري خودرو دريافت و در خود ذخيره مي‌كند و سپس آن را ازطريق شمع‌ها به شكل انفجارهاي بسيار سريعي از پلاسماي آبي آزاد مي‌كند. اين نسخه‌ي كم انرژي و كم حرارت‌تري از سيستم‌هاي پرانرژي توان پالسي مانند تنفگ ريلي (ريلگان) و ليزرهايي است كه فيزيكدان‌ها از آن‌ها براي شبيه‌سازي انفجارهاي هسته‌اي استفاده مي‌كنند.

تفاوت اصلي ميان شمع‌هاي پلاسمايي با شمع‌هاي جرقه‌اي معمولي آن است كه با انتقال گرما واكنش احتراق را مشتعل نمي‌كند. درواقع، اين شمع‌ها حتي انرژي گرمايي كافي براي روشن كردن يك كبريت را ندارند. درعوض، شمع پلاسمايي مستقيما مولكول‌هاي هوا را با الكترون‌ها بمباران مي‌كند تا آن‌ها را به عناصر واكنش‌پذيرتري مانند اكسيژن اتمي تبديل كند. تزريق سريع انرژي غيرحرارتي موجب مي‌شود مولكول‌ها در مخلوط سوخت به‌شدت به هم برخورد كنند و اين امر موجب آغاز واكنش احتراق مي‌شود. اگر شمع جرقه‌اي معمولي مانند فندك باشد، شمع پلاسمايي بيشتر شبيه صاعقه است. وقتي صحبت از موتورهاي رقيق‌سوز مي‌شود، سرعت اهميت بسيار زيادي پيدا مي‌كند.

جال گاندي كه سرپرستي مركز تحقيقات موتور را در دانشگاه ويسكانسين برعهده دارد مي‌گويد: «ايده‌ي اصلي در موتور آن است كه مي‌خواهيد همه چيز به‌طور هم‌زمان بسوزد. اگر بتوانيد سوخت را درست در زماني‌كه پيستون در بالا يعني نقطه‌ي مرگ قرار دارد، بسوزانيد، بهترين بازده ممكن را به دست خواهيد آورد. اين رويداد احتراق چيزي است كه ازانديشه متخصصين بازده اهميت دارد.»

ايده‌ي استفاده از سيستم‌هاي توان پالسي كم‌انرژي براي دستيابي به احتراق سريع موضوع جديدي نيست. مارتين گوندرسن، مشاور دكتراي سينگلتون در دانشگاه كاليفرنياي جنوبي، از اوايل دهه‌ي ۱۹۹۰ درحال كار روي اين نوع سيستم‌هاي اشتعال بوده است. البته سيستم‌هاي اشتعال پالسي اوليه‌اي كه درجهت كاهش انتشارات كار مي‌كردند، گران و بزرگ بوده و قابليت اطمينان بالايي نداشتند. زماني‌كه سينگلتون درحال تمام كردن دكتراي خود بود، فناوري‌هاي مورد نياز براي يك سيستم مقرون‌به‌صرفه و قابل اعتماد به نقطه‌اي از بلوغ رسيدند كه به‌انديشه متخصصين مي‌رسيد خارج از آزمايشگاه عملي باشند.

موفقيت كليدي مربوط به ساخت كليدهاي (سوييچ‌هاي) ولتاژ بالاي حالت جامد بود كه در اوايل دهه‌ي ۲۰۰۰ معرفي شدند. به‌لطف پيشرفت‌هاي فناوري ساخت سوييچ، اكنون سيستم‌هاي پالسي پلاسمايي سينگلتون مي‌توانند چندين مگاوات توان را طي چند نانوثانيه سوييچ كنند و صدهاهزار سيكل هم دوام بياورند. سينگلتون در سال ۲۰۰۹ با همكاري گوندرسن و اندي كوتي و جيسون ساندرز شركت Transient Plasma Systems را تأسيس كرد تا اشتعال پلاسمايي را تجاري‌سازي كند.

شركت مذكور در آغاز روي توسعه‌ي سيستم هواپيمايي تمركز داشت. موتورهاي جت سهم عمده‌اي در انتشارات جهاني گازهاي گلخانه‌اي دارند؛ اما مشخص بود خودرو‌ها هدف اصلي اين فناوري هستند. اگر سينگلتون و تيمش بتوانند شركت‌هاي خودروسازي را ترغيب كنند تا از شمع جرقه‌اي آن‌ها استفاده كند، به ميزان قابل‌توجهي انتشارات ناشي از وسايل نقليه كم خواهد شد.

ايساك اكوتو، پژوهشگر مركز تحقيقات احتراق در آزمايشگاه‌هاي ملي سنديا در كاليفرنيا مي‌گويد: «اگر مي‌خواهيد بدانيد امروزه پژوهشگران موتور به چه چيزي نگاه مي‌كنند، به چيزي نگاه كنيد كه پژوهشگران هوافضا ديروز به آن نگاه مي‌كردند. بسياري از اين فناوري‌ها از آنجا منشا مي‌گيرند.»

اكوتو و همكارش مگنوس شوبرگ تعدادي از آزمايشگاه‌هاي احتراق بنزين مركز تحقيقات احتراق را هدايت مي‌كنند و در سال ۲۰۱۴ اولين آزمايش‌هاي اصلي شركت Transient Plasma Systems درمورد شمع پلاسمايي درون موتوري در آنجا انجام شد. آزمايشگاه‌هاي شوبرگ و اكوتو مجهز به موتور تك سيلندر سفارشي هستند كه با اين هدف طراحي شده است كه به پژوهشگران اجازه دهد تا بتوانند محفظه‌ي احتراق را درجريان اشتعال با استفاده از دوربين‌هاي پرسرعت و ليزرهايي كه ديناميك احتراق را اندازه‌گيري مي‌كنند، مورد نظارت قرار دهند.

كارآيي موتور احتراقي عميقا به نحوه‌ي استفاده از آن بستگي دارد. براي مثال، موتورها در سرعت‌هايي پايين و قدرت كم از كمترين بازده برخوردار هستند. اين چيزي است كه ممكن است با رانندگي در شهر در تقابل باشد. شوبرگ و گروه Transient Plasma سيستم جرقه‌زني موتور را در انواعي از حالت‌هاي عملياتي شبيه سناريوهاي مختلفي مانند رانندگي در بزرگراه آزمايش كردند. نتيجه‌ي آزمايش‌ها نشان مي‌داد نسبت‌به شمع جرقه‌زن سنتي، شمع مذكور مي‌تواند كارآيي را تا ۲۰ درصد بهبود دهد.

سينگلتون مي‌گويد نتايج حاصل از آزمايش‌هاي سنديا به‌زودي توجه صنعت خودروسازي را به خود جلب كرد. طي چند سال گذشته شركت درحال كار با چندين خودروساز بوده است تا اين سيستم را با موتورهاي آن شركت‌ها آزمايش كند. وي مي‌گويد خوش‌بين است كه اولين خودروهايي كه از اين سيستم استفاده مي‌كنند، طي پنج سال آينده وارد جاده‌ها شوند.

اما موتورهاي رقيق‌سوز ممكن است براي آغاز به كار لاخبار تخصصيا به سيستم جرقه‌زني پلاسما نيازي نداشته باشند و شركت Transient Plasma Systems تنها شركتي نيست كه روي اين موضوع كار مي‌كند. آسانيس متخصص كارشناس احتراق استوني بروك مي‌گويد: «همه در تلاش هستند تا محدوده‌ي اشتعال‌پذيري را گسترش دهند و موجب شوند مخلوط‌هاي رقيق‌تري مشتعل شوند.» براي مثال، پژوهشگران دانشگاه پردو درحال مطالعه معماري موتورهايي هستند كه از پيش‌محفظه‌هايي با نسبت معمول هوا به سوخت استفاده مي‌كنند تا واكنش احتراق را راه‌اندازي كنند كه سپس به محفظه‌ي احتراق اصلي مي‌رسد كه پر از سوخت رقيق‌شده با هوا است.

شركت‌هايي نظير مزدا به‌دنبال موتورهايي هستند كه اصلا نيازي به شمع جرقه‌زن نداشته باشد. درعوض، موتور سوخت رقيق را متراكم مي‌كند تا زماني‌كه خود به خود مشتعل شود. ازانديشه متخصصين مباحثه زيست‌محيطي، چگونگي دستيابي به احتراق سوخت رقيق اهميت زيادي ندارد بلكه آنچه مهم است زماني است كه چنين فناوري بتواند به‌طور گسترده مورد استفاده قرار گيرد. در هر صورت، موتورهاي احتراق داخلي حداقل تا چند دهه‌ي ديگر همچنان دركنار ما خواهند بود و براي كمك به حل اشكال تغييرات اقليمي، به موتورهايي نياز داريم كه با مصرف سوخت كمتر، مسافت بيشتري را طي كنند.