یک فنجان سوختاب

اگر فکر می کنید آب و نفت با هم مخلوط نمی شوند، بهتر است با «کیت جانسون» ملاقات کنید. «کیت جانسون» که به عنوان پروفسور فیزیک مواد از دانشگاه ام آی تی بازنشسته شده است، کاری کرده که بسیاری در آن ناموفق بوده اند. این کار مخلوط کردن گازوئیل با آب و تشکیل مخلوطی است که احتراق آن آلودگی کمتری داشته و در عین حال بازدهی موتور را در همان میزان طراحی شده حفظ می کند. سوخت او اگرچه از لحاظ ساخت به سادگی تهیه یک فنجان نسکافه است، ولی در عین حال سال ها نیز پایدار می ماند. اگر او بتواند این سوخت را به اندازه کافی ارزان تهیه کند، زندگی میلیون ها انسانی را که در شهرهای بزرگ پرشده از اتوبوس ها و سواری های دیزلی کهنه زندگی می کنند، بهبود خواهد بخشید.
در شهرها موتور خودروها دوده و اکسیدهای نیتروژن بیرون می دهند و این به معنی آلودگی هایی است که محیط زیست را تخریب کرده و باعث بیماری های ریوی می شود. تمیز کردن دود اگزوز خودروها منجر به تمیزتر و سالم تر شدن این شهرها برای زندگی می شود.
«جانسون» علت پایداری و «سبز» بودن سوخت خود را به این صورت بیان می کند که او خانواده یی از مواد فعال سطحی شبیه دترجنت ها یافته است که مولکول های آب را به روش شیمیایی به مولکول های گازوئیل می چسباند، به طوری که شبیه به یک توپ شده و یک خوشه پایدار ۲۰ مولکولی را به دور خود جمع می کند. «جانسون» بررسی کرده که این خوشه ها در اثر ارتعاش نوسان می کنند و این مشخصه یی است که روی خواص شیمیایی این محلول تاثیر بسزایی می گذارد. او کشف خود را در شرکت تکنولوژی های انرژی کوانتوم QET در کمبریج ماساچوست ثبت کرده است. این شرکت در نظر دارد بازار این گونه سوخت را در سطح جهان توسعه دهد.
کشف «جانسون» در واقع نتیجه نهایی تحقیقاتی بود که اوایل این قرن انجام شد و طی آن رانندگان خودروهای دیزلی متوجه شدند افزودن مقداری آب به سوخت شان غالباً توان موتور را افزایش می دهد. محققان طی جنگ جهانی دوم روی تصحیح عملکرد سوخت کار کردند که موفقیتی در پی نداشت، ولی منجر به افزودن آب به بنزین شد. در سال ۱۹۹۴، یک فیزیکدان امریکایی به نام «رادولف گانرمن» اعلام کرد سوخت شیری رنگ او که مخلوطی از آب، نفت و بنزین است، آلودگی را کاملاً از بین می برد و در عین حال بازدهی سوخت را بیش از ۴۰ درصد افزایش می دهد. اما سوخت «گانرمن» هنوز به بازار نیامده است. این افتخار نصیب شرکت نفت فرانسه «الف اکی تن» شد که با سوختی به نام «آکوازول» که مخلوطی شیری رنگ از گازوئیل، مواد فعال کننده سطحی و حدود ۱۳ درصد آب بود، وارد بازار شد. این شرکت بعد از دو سال آزمایش ادعا کرد استفاده از آکوازول، ذرات معلق در دود اگزوز را به نصف و NOX را به اندازه حدود ۱۵ درصد کاهش می دهد.
قابل ذکر است سوخت «گانرمن»، همچنین سوخت آکوازول، امولسیون هایی از قطرات ریز آب پراکنده در گازوئیل است. مولکول های آب قطبی است. یعنی بار الکتریکی ضعیفی روی خود دارند و در نتیجه برای متصل شدن به دیگر مولکول های باردار آماده هستند، ولی در عین حال علاقه یی به متصل شدن به مولکول های خنثی، مثل مولکول های موجود در بنزین و گازوئیل ندارند. برای غلبه بر این دافعه، شیمیست ها از «مواد فعال کننده سطحی» استفاده کردند، یعنی موادی که مولکول های آنها از یک طرف دارای گروه های قطبی و در طرف دیگر گروه های غیرقطبی هستند. این مواد شبیه مولکول های «مصلح» عمل کرده و مخلوط را با حبس کردن آب در داخل کیسه های مولکول های فعال کننده سطحی که مایسل نامیده می شوند، پایدار می کنند.
هر چند ابعاد مایسل ها در این سوخت در حد میکرون است، اما با این وجود آنقدر بزرگ هستند که نور را پراکنده ساخته و مخلوط را سفیدرنگ نشان دهند. همچنین اندازه بزرگ مایسل ها باعث ناپایداری آنها شده است. با گذشت زمان، اجزای قطبی و غیرقطبی جدا شده و به دو لایه مجزا تبدیل می شوند که باعث بی مصرف شدن سوخت می شود. «جانسون» می گوید؛ «این بزرگ ترین مشکل بر سر راه هر کسی است که بخواهد سوخت تمیز را با این روش بسازد، یعنی این واقعیت که امولسیون آب و سوخت طی زمان جدا می شود.»
مطابق گفته «فردریک بارناد» که مسوول تیم پروژه آکوازول است، سوخت آنها برای حداقل سه ماه پایدار است، اما باید حداقل برای بیش از شش ماه پایدار باشد. در هر صورت، سوخت گازوئیل گاهی برای مدت های طولانی قبل از مصرف انبار می شود و این کوتاه بودن عمر نگهداری، مشکل بزرگی است.
هر چه سوخت پایدارتر باشد، احتمال موفقیت تجاری آن بیشتر است و این موضوعی است که سوخت «جانسون» در آن امتیاز بیشتری می آورد. او موفق شد در واقع یک «میکروامولسیون» بسازد که در آن آب به صورت قطره هایی در حد نانومتر پراکنده شده اند. این قطره ها آنقدر کوچک هستند که نور را پراکنده نمی کنند و در نتیجه مخلوط شفاف می شود. برخلاف قطرات بزرگ موجود در سوخت آکوازول، کشش سطحی خوشه های کوچک مولکول های آب در سوخت «جانسون»، آنها را برای مدت طولانی پایدار می سازد.
«فیلیپ شولتز» شیمیست عضو تیم آکوازول با این موضوع موافق است که «یک میکروامولسیون از لحاظ ترمودینامیکی، سیستمی پایدارتر است.» همچنین مولکول های آب که در خوشه های «جانسون» از طریق پیوندهای کووالانسی شکل گرفته، از طریق مواد فعال سطحی مستقیماً به مولکول های گازوئیل متصل هستند. این پیوندها به میزان بیشتری مخلوط را پایدار می کنند. مطابق آنچه «جانسون» می گوید به نظر می آید آزمایش های وی این موضوع را تایید کند که نمونه های سوخت او تا سه سال پایدار باقی می ماند.
«تام کرنز» استاد تکنولوژی دیزل در کالج ماساسویت در ماساچوست ادعای «جانسون» را قبول دارد. «کرنز» انجام آزمایش ها روی سوخت «جانسون» را بیشتر از یک سال پیش آغاز کرد. او می گوید؛ «وقتی برای اولین بار راجع به این سوخت شنیدم، به نظرم احمقانه آمد، اما ما مقداری سوخت جانسون را به مدت یک سال در قفسه گذاشتیم، ولی دوفازی نشد.»
«جانسون» می گوید؛ «بهتر از همه اینکه تولید این میکروامولسیون هیچ گونه فرآیند پیچیده یی ندارد. تنها اجزا را روی هم بریزید و آنها را مخلوط کنید.» او از آشکار کردن اینکه دقیقاً از چه ماده یی به عنوان فعال کننده سطحی استفاده می کند، خودداری کرد اما ادعا کرد قسمتی از راز ساختن قطرات نانومتری در این نهفته است که مولکول های آب خود را آرایش می دهند.
● خوشه های کوچک
محققانی چون «ریچارد سیکالی» در دانشگاه کالیفرنیای برکلی و «دیوید کلاری» در دانشگاه کالج لندن نشان داده اند مولکول های آب می توانند به اشکال مختلفی دور هم جمع شوند، از جمله حلقه پنج مولکولی که توسط پیوند هیدروژنی به وجود می آید. این حلقه ها خود به اشکال مختلفی به هم می پیوندند و «جانسون» می گوید یکی از معروف ترین آنها ساختار ۱۲وجهی است که در آن ۲۰ مولکول آن به صورت پنج وجهی ۲۰ آبه شرکت دارند.
در طبیعت این خوشه ها فقط در کسری از ثانیه وجود دارند و پس از آن یا رشد کرده و بزرگ می شوند یا توسط مولکول های برخوردکننده منهدم می شوند. اما «جانسون» خانواده یی از مواد فعال کننده سطحی را یافت که دور خوشه های ۱۲وجهی گرد آمده و آنها را پایدار می کنند.
مطابق تخمین «جانسون» این خوشه های آب ۱۲وجهی خواص ویژه یی دارند. اول اینکه الکترون های اتم اکسیژن هر مولکول آب روی الکترون های اکسیژن های مجاور تاثیر می گذارند که باعث پدیده یی می شوند که شیمیست ها به آن «اربیتال های پی جابه جا شده» می گویند و مانند موهای یک برس، از سطح خوشه بیرون می زنند. از آنجا که الکترون ها می توانند با مولکول های مجاور پیوند برقرار کنند، این حالت باعث افزایش فعالیت خوشه می شود. «جانسون» اینجا مجدداً راز فعال کننده سطحی را فاش نمی کند. چیزی که نقش اصلی را بازی می کند، فعال کننده سطحی غنی از اکسیژن است، بنابراین به خوشه آب الکترون می دهد و در نتیجه آنها را فعال تر می کند. «کن جردن» شیمیست دانشگاه پترزبورگ می گوید؛ «الکترون با قوت به سیستم متصل نمی شود، پس سهل تر است که آن را در شکل یک پیوند به اشتراک گذاریم.»
همچنین ساختار خوشه نشان می دهد اتم اکسیژن که آنچنان به آن نزدیک است تنها ۷۲ انگستروم فاصله دارد که الکترون روی اکسیژن آن می تواند خود را به اتم مجاور متعلق بداند. گرچه بارهای همنام همدیگر را دفع می کنند، اما آنچنان اتم های اکسیژن با پیوندهای قوی نگه داشته شده اند که نمی توانند از هم فرار کنند. «جانسون» ادامه می دهد پیوندها به طور پیوسته تغییرشکل می دهند تا همواره میزان دفع را حداقل کنند. در واقع باز شدن و فشرده شدن برای حصول به پایداری خوشه است. به این اثر پدیده پویای «یان-تلر» گویند. «جانسون» می گوید این ارتعاش ها از طریق کاهش در انرژی برای واکنش شیمیایی، خوشه های آب را فعال تر می سازند.
«جانسون» استدلال می کند این قسمتی از علت تمیزی سوخت او است. او محاسبه کرده است الکترون های روی اتم های اکسیژن خوشه ها با مولکول هایی مانند آنتراسین (که در گازوئیل وجود دارد و معمولاً حین سوختن به دوده تبدیل می شود) واکنش می دهد. نحوه عمل به این صورت است که الکترون ها به وجودآورندگان این دوده ها را می شکنند و اجزای به وجودآمده به آب، منواکسیدکربن و دی اکسیدکربن تبدیل می شود. علاوه بر این وجود آب در سوخت، فرآیند احتراق را سرد کرده و تولید اکسیدهای نیتروژن را کاهش می دهد. نتیجه یی که در تست های آزمایشگاهی توسطQET گرفته شده این است که این سوخت ذرات دوده در دود حاصل از گازوئیل را بیشتر از ۸۰ درصد و اکسیدهای نیتروژن را بیشتر از ۳۰ درصد کاهش می دهد. «جانسون» می گوید؛ «همچنین افزایش کمی در توان موتور نیز حاصل می شود.»
به رغم مدارک ارائه شده، تئوری های «جانسون» همه را متقاعد نمی کند. مثلاً «سی کالی» که یک پیشرو در زمینه خوشه های آب است، می گوید؛ «هیچ روشی وجود ندارد که بتوان اثبات کرد در این سوخت، خوشه های ۲۰ مولکولی آب وجود دارد. مدل های شیمیایی ارائه شده به اندازه کافی قابل اعتماد نیستند که بتوان این موضوع را ثابت کرد و محاسبات خواص خوشه هایی به کوچکی تنها ۲۰ مولکول از دانش کنونی ما در مورد شیمی کوانتومی تجاوز می کند.»
«دادلی هرش باخ» شیمیست دانشگاه هاروارد با این موضوع موافق است و می گوید؛ «تئوری جانسون موجه اما نظری است.» با این وجود «جانسون» در مورد ایده اش مطمئن است، چون مدل های کامپیوتری که از قبل براساس مطالعات پیشین اش در مورد خوشه های فلزی ابداع کرده آن را تایید می کند. او رفتار الکتریکی انواع ابعاد و انواع شکل های خوشه های آبی را با جایگزین کردن ایزوتوپ های مختلف اکسیژن در داخل مدل ها و تهییج و تغییرات فرکانس های ارتعاش پیوندهای خوشه ها ثبت کرده است. او اظهار می دارد؛ «تنها خوشه های حدود ۲۰ مولکولی آب در اندازه یی هستند که بتوانند ارتعاشی در حد آنچه ثبت شده برای فعال شدن پدیده یان- تلر ایجاد کنند.»
● مولکول های لرزان
«جانسون» همچنین متوجه تیمی در دانشگاه لیون شد که از تکنیک های رامان برای اندازه گیری خواص ارتعاشی آب استفاده می کنند. او اظهار می دارد یافته های آنان با تئوری او سازگار است. او می گوید؛ «طبیعت آنچنان نیست که فقط خوشه هایی با یک اندازه تشکیل دهد، اما در سوخت ما، آنچنان که از شواهد برمی آید، عمدتاً خوشه های ۲۰ مولکولی وجود دارد.» «جفرسون تستر» مدیر آزمایشگاه انرژی ام آی تی در بعضی موارد با «جانسون» موافق است. او می گوید؛ «ادعاهای جانسون منطقی است، ضمناً ایده های او با آنچه ما حین تست مخلوط آب و سوخت او در آزمایشگاه دیدیم، سازگاری دارد و همچنین افزایش واکنش پذیری، معیاری از این است که در اینجا پدیده یان-تلر کار می کند.»
هرچند شاید «جردن» نیز در این مورد کاملاً متقاعد نشده باشد، ولی گویا دچار دودلی شده است چون گفته است «این موضوع کاملاً غیرممکن به نظر نمی رسد، چون ساختمان قفس وار مولکول ها در طبیعت نیز وجود دارد که به آن هیدرات ها گویند ولی نمی توان شکل آنها را از قبل پیشگویی کرد.»
گذشته از اینکه واقعیت چیست باید دید کارایی سوخت «جانسون» در خیابان چگونه است. در ژوئن سال ۱۹۹۸ یک تیم از دانشگاه وست ویرجینیا سوخت مزبور را در یک اتوبوس، تحت شرایط شبیه سازی شده خیابان های شهری آزمایش کردند. نتایج امیدوارکننده بود. میزان کاهش آلودگی هوا نزدیک به چیزی بود که در آزمایشگاه به دست آمده بود و «سوختاب» جانسون به شدت مورد توجه «داگلاس ویتسون» مسوول بخش سوخت های جانشین در موسسه ماسپورت قرار گرفت. با همکاری او به مدت یک سال خط اتوبوسرانی مسافران فرودگاه شهر بوستون، متعلق به شرکت ماسپورت از مخلوط دیزل شرکت QET استفاده کرد. «ویتسون» می گوید؛ «ما فرودگاهی بزرگ هستیم که در گوشه شرقی بوستون قرار داریم و استفاده از سوخت جانسون به منظور کاهش آلودگی هوا راهی برای کاهش اثرات زیست محیطی بر جامعه است.» گرچه موسسه ماسپورت میزان آلودگی تولیدشده توسط «جانسون» را اندازه گیری نکرده است، ولی «ویتسون» می گوید؛ «این سوخت آشکارا دود اگزوز تمیزتری نسبت به سوخت گازوئیل معمولی تولید می کند.» در این مورد دیگران نیز علاقه مند شدند. هم اکنون سه شرکت خصوصی اتوبوسرانی در کاستاریکا تست های بلندمدتی با سوختاب «جانسون» انجام می دهند و QET در حال مذاکره با چندین شرکت در سطح جهانی است.
موسسه ماسپورت مشتری این سوخت خواهد بود؛ مادامی که قیمت آن قابل رقابت با قیمت سوخت دیزل معمولی باشد، یعنی قیمت آن بیشتر از پنج درصد قیمت گازوئیل نباشد. البته در حال حاضر «جانسون» نمی تواند به این مقصود برسد ولی QET انتظار دارد با افزایش تولید، قیمت آن کاهش یابد. کاهش هزینه سوخت در حالی که عملکرد سوخت هنوز دوستدار محیط زیست باشد یک چالش است، چون گران ترین جزء این سوخت، ماده فعال سطحی است. «جانسون» می تواند با افزایش آب به مخلوط تا ۲۱ درصد، آلودگی را به میزان بیشتری کاهش دهد. اما برای افزودن آب بیشتر باید ماده فعال سطحی بیشتری به سوخت اضافه کرد تا سوخت پایدار بماند و این هزینه را بالا می برد. بنابراین او در جست وجوی راهی است که ماده فعال سطحی را هم حذف کند.
یک راه حل، قرار دادن آب در معرض شرایط فوق بحرانی، یعنی دمای ۳۷۴ درجه سانتیگراد و فشار ۲۲۰ اتمسفر است. در حالت فوق بحرانی، آب در حالتی بین مایع و بخار قرار دارد و «جانسون» می گوید در این حالت مشکل اولیه آب، خوشه های ۲۰ مولکولی است. تحت این شرایط مولکول های گازوئیل با ۱۱ مولکول آب در خوشه مستقیماً و بدون استفاده از ماده فعال سطحی متصل می شود. مطابق گفته «جانسون» در تست های آزمایشگاهی، سوخت فوق بحرانی آلودگی ها را به میزان موثرتری نسبت به مخلوط ماده فعال سطحی دار کاهش می دهد، یعنی حدود ۹۰ درصد ذرات معلق را کاهش داده و انتشار اکسیدهای نیتروژن را نصف می کند. در این حالت این سوخت حتی از گاز طبیعی پاک تر می شود. همچنین شرکت QET در حال مذاکره با اداره برق امریکا است تا نظر آنان را برای استفاده از این سوخت در نیروگاه جلب کند. علاوه بر این،QET طرح هایی ارائه کرده است تا مالکان خودروها خود این مخلوط را بسازند و استفاده کنند. اما این مخلوط قابل احتراق، تنها در آغاز راه است.
«جانسون» در حال پیگیری دیگر خواص عجیب این خوشه های آب است. البته از قبل بسیاری ازکاربردهای دیگر این خوشه ها را باز یافته است، اما اکنون در پی یافتن کاربردهای احتمالی آن در محصولات مهندسی پزشکی است. او مطلب بیشتری در این مورد نمی گوید و به هر حال پیشرفت این موضوع بستگی به علایق تجاری دارد، گرچه او به دنبال ایده های بزرگ تری است. او توجه خود را به اطلاعات جمع آوری شده توسط ماهواره «زیرمیلی متری موج» ناسا معطوف داشته است که می گوید ابرهای مواد منجمد در فضا همراه و مشابه ارتعاشات خوشه های ۲۰ مولکولی «می تپد».
«جانسون» حدس می زند این خوشه ها فضای بین ستاره ها و کهکشان ها را پر کرده باشند، چون این خوشه ها در دماهای پایین و در خلأ پایدار هستند. همچنین دفتر کوچک او پر از مقالاتی است که احتمال می دهند ممکن است خوشه های آب حتی نقش مهمی در تعیین ساختارهای سلول های زنده ایفا کنند. شاید این سوختاب تنها نوک یک کوه یخ باشد که قسمت عمده آن زیر آب است. او می گوید؛ «ما می توانیم چیزهای بیشتری از رفتار مولکولی آب یاد بگیریم و در این صورت درباره حیات بیشتر خواهیم فهمید.»

بنت دیویس - ترجمه؛ محمد طغرایی، عبدالله مصطفایی

www.NewScientist.com

منبع : روزنامه اعتماد