بازگشت عصر آهن: فلزات سوخت ایده‌آل جهان آینده

یك محقق آمریكایی طرحی را تكمیل كرده كه بر اساس آن خودروهای آینده به جای بنزین و گازوئیل از توده‌های فلزاتی مانند آهن و آلومینیوم و بورون به عنوان سوخت استفاده می‌كنند. دیو بیچ ‪ Dave Beach‬از آزمایشگاه ملی اوك ریج در تنسی، توده‌های فلزات را به پودری از ذرات در ابعاد نانومتر تبدیل می‌كند.این امر موجب می‌شود كه قابلیت واكنش پذیری و اشتعال این توده بشدت افزایش یابد. با آتش زدن این توده پودر مقادیر بسیار زیادی انرژی آزاد می‌شود. محاسبات بیچ نشان می‌دهد كه یك اتومبیل معمولی كه باك بنزین آن تغییر یافته باشد و به بنزین پر از این نوع پودرهای فلزی باشد، می‌تواند 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 دوده‌ای تولید می‌شود و نه اكسید نیتروژن به هوا متصاعد می‌شود. این سوخت كاملا قابل بازیافت است. به این ترتیب سوخت جدید می‌تواند نوید بازگشت عصر آهن دوباره‌ای را بدهد. همه انواع موتورها از موتور اتومبیل‌ها گرفته تا موتور واحدهای گرمایی و تهویه مطبوع تا توربین نیروگاهها را می‌توان به گونه‌ای تغییر داد كه بتوانند از سوخت جدید استفاده كند. ایده پر كردن باك بنزین از پودر فلز به ظاهر عجیب می‌نماید اما موتورهای اتومبیلها می‌توانند 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 می‌كند و تازه اگر به جای آهن از بورون استفاده شود بازده تولید انرژی به جای دو برابر تا پنج برابر افزایش می‌یابد. در موشكهایی كه سفینه‌های فضایی را بالا می‌برند پیشاپیش از این نوع سوختهای پودر فلز استفاده می‌شود. اندكی پودر آلومینیوم كه سوخت جامد موشك اضافه شود توان بالا بری آن را به مراتب افزایش می‌دهد. در اژدرها و موشكهای جنگی نیز از این نوع سوخت استفاده به عمل می‌اید. 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 می‌گیرند با لایه‌ای از اكسید پوشیده می‌شوند 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 نمی‌رسد. یك مشكل دیگر آن است كه زمانی كه فلز اكسیده شده شروع به سرد شدن می كند تبدیل به جامد می‌شود و شكل خاكستر به خود می‌گیرد 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 می‌سوزاندند. آنان موتورها را چنان تغییر داده بودند كه می‌توانستند 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 می‌ماند و مانع كار موتور می‌شود. 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 می‌گیرد. 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 تفاوت‌های بارز دارد. ذرات در ابعاد نانو به مراتب بهتر می‌سوزند 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 می‌دهد و بنابراین اگر یك قسمت از اهن در معرض اكسیژن قرار گیرد اكسیده شدن سبب آتش گرفتن آن می‌شود و احتراق بسرعت به بقیه توده نیز سرایت می‌كند. به همین علت برای جلوگیری از آتش گرفتن پودر ذرات آهن لایه اكسید بر روی آنها قرار داده می‌شود. سطح وسیع ذرات نانو این مزیت را دارد كه با تنها اندكی حرارت دادن این توده كه دارای لایه محافظ اكسید است، اكسیژن می‌توان 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 می‌سوزند 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 نمی‌سوزند كه بخار یا دوده تولید كنند یا آنكه ذوب شوند. این ذرات صرفا اكسیده می‌شوند و در جای خود توده‌ای از ذرات نانو اكسیده شده برجای می‌گذارند. معنای این امر آن است كه هیچ جرم مزاحم به سیلندرو پیستون و شیرها نمی‌چسبد و باعث از كار افتادن موتور نمی‌شود.این توده ذرات اكسیده شده را دوباره می‌توان 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 می‌سوزد و حرارت خود را در یك هزارم ثانیه آزاد می‌كند. 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 می‌انجامد. 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 خوشه‌های 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 می‌توانند خوشه‌هایی از ذرات نانو درست كنند كه هر یك بین یك تا ‪ ۲۰۰‬میلی گرم وزن دارد و با تنظیم شكل این خوشه‌ها و تنظیم چگالی بخشهای مختلف آنها می‌توان آهنگ اشتعال هر خوشه را كنترل كرد. در حالیكه هر تك ذره با سرعت و سهولت مشتعل می‌شود خوشه‌هایی 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 می‌رود و برق تولید می‌كند به موتورهای احتراق بیرونی كه با این ذرات نانو كار می‌كنند كار نسبتا ساده‌ای 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 می‌شود و پیستون را به حركت در می‌آورد. این نوع موتورها مصارف خانگی در جاهایی كه حرارت و قدرت تركیب می‌شوند و در مصارف تجاری در سیستم خنك‌كننده ماهواره‌ها استفاده می‌شود. 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 می‌تواند این پودر نانو را درست نظیر سوخت گازوئیل در موتورهای معمولی مورد استفاده قرار دهد. به نظر بیچ می‌توان پودر نانو را از درون یك مخزن به درون محفظه سیلندر پاشید و اكسیژن لازم برای احتراق را نیز فراهم آورد. یك جرقه می‌تواند موجب احتراق سوخت در محفظه احتراق شود و پیستون را به حركت درآورد. محققان باید در عین حال راهی برای جمع‌آوری 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 می‌كنند. در یك بخش پودر استفاده نشده قرار داده می‌شود و در بخش دیگر سوخت مصرف شده و پودر سوخته شده را می‌توان با كمك یك فیلتر یا صافی جمع آوری كرد. از آنجا كه اكسید آهن خاصیت آهنربایی دارد می‌توان با كمك یك مغناطیس برقی این سوخت را جمع آوری كرد. زمانی كه راننده می‌خواهد مخزن سوخت خود را پر كند می‌توان 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 آلوده‌سازی كه موتورهای كنونی تولید می‌كنند بوجود نمی‌اورد. 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 می‌كند باید هم رانندگان را راضی كند و هم طرفداران محیط زیست را راضی نگاه دارد. البته هنوز جنبه‌های 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 هیدرووژن سوخت فشرده‌ای به شمار می‌آید 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 می‌شود این وزن اضافی در جریان سفر از بین نمی‌رود. به اعتقاد دیوید كیث فیزیكدان از دانشگاه گلگری در آلبرتا جنبه‌های 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 می‌شود زیرا در هر كیلوگرم ‪ ۱۲‬برابر آهن انرژی در خود ذخیره می‌كند. 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 محفظه‌های 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 می‌آید آب است و این آب در محیط آزاد می‌شود. 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 جاده‌ها برپا می‌شوند صورت می‌گیرد و می‌توان 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 می‌توان 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 می‌توان از مونو اكسید كربن برای بازیافت فلز استفاده كرد. در جریان عمل اكسید كربن تولید می‌شود. 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 می‌توان 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 چاره‌ای برای دی اكسید كربن تولید شده پیدا كرد. بیچ در مورد مساله وزن معتقد است می‌توان 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 می‌كنند. اگر از ذرات بورون استفاده شود كه در هر كیلوگرم وزن شش برابر آهن انرژی به دست می‌آید. 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 می‌كند این امر به نیت برآورد هزینه‌های واقعی این محصول است. این پژوهشگران همچنین در نظر دارند با انجام سلسله‌ای از آزمایشها اندازه بهینه ذرات نانو را كه برای پودر شدن و استفاده به سوخت مناسبند مشخص سازند. زمینه‌های دیگر از جمله بهترین شیوه بسته‌بندی 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 تازه‌ای را در عرصه پاسخگویی به نیاز به سوخت برای موتورهای صنعتی مطرح ساخته‌اند كه براحتی نمی‌توان از كنار آن گذر كرد و آن را نادیده گرفت.

منبع : مجله گسترش صنعت