سوخت هیدروژن

آزمایشات انجام گرفته در ایستگاه فضایی بین المللی می تواند حركت به سوی اقتصاد مبتنی بر هیدروژن را تسریع كند. تصور كنید برای سوخت گیری خودروتان به سمت جایگاه سوخت رسانی حركت می كنید، دهانه لوله سوخت رسانی را وارد مخزن سوخت خودرو می كنید، اما سوختی كه مصرف می كنید، از نوع سوخت های متداول نیست بلكه هیدروژن است. هیدروژن گازی بی رنگ و بی بو است كه از سوختن آن فقط بخار آب حاصل می شود كه سریع و بدون هیچ خطری توسط محیط اطراف جذب می شود. یك كیلوگرم از هیدروژن تقریباً سه برابر همین میزان بنزین انرژی آزاد می كند. و این در حالی است كه هیدروژن فراوان ترین عنصر طبیعت محسوب می شود! پس جای تعجب نیست كه چرا دانشمندان در تلاش اند تا راهی بیابند كه بتوان از هیدروژن به عنوان سوخت در خودروها استفاده كنند. ال ساكو مدیر مركز تولید مواد پیشرفته تحت جاذبه ضعیف (CAMMP) در دانشگاه نورسسترون بوستون كه زیر نظر ناسا مشغول فعالیت است در این زمینه می گوید: «ده ها شركت از جمله بزرگ ترین شركت های سازنده خودرو، موتورهایی را طراحی كرده اند كه از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می كند. این موتورها بسیار شبیه به موتورهای احتراق داخلی هستند كه ما امروزه به طور گسترده ای از آنها استفاده می كنیم. سلول های سوختی - یكی دیگر از منابع ممكن برای تولید نیرو در خودروها - نیز از هیدروژن استفاده می كنند. برای آنكه استفاده از این فناوری ها در زندگی روزمره ممكن شود، لازم است دانشمندان راهی برای ذخیره سازی و انتقال ایمن هیدروژن بیابند كه از لحاظ هزینه به صرفه بوده و با هزینه های استفاده از بنزین قابل مقایسه باشد.»
اما انجام این كار چندان هم آسان نیست. گاز هیدروژن سبك و فرار است. مولكول های كوچك H۲ از طریق روزنه ها و شكاف ها و همچنین از طریق بست ها و شیرها بسیار سریع نشت می كنند و هنگامی كه از این طریق خارج شدند خیلی زود تبخیر می شوند. هیدروژن چهار برابر سریع تر از متان و ده برابر سریع تر از بخارهای بنزین نفوذ می كند. این مسئله در مورد حفظ ایمنی دستگاه از اهمیت بسیار زیادی برخوردار است چرا كه قطرات هیدروژن بسیار سریع تبخیر شده و در محیط پراكنده می شوند و می توانند ایمنی سیستم را به خطر اندازند. این مسئله می تواند برای هر كسی كه می خواهد گاز هیدروژن را ذخیره كند، دردسرساز شود. هر چند كه هیدروژن مایع بسیار متراكم است و ذخیره سازی آن آسان به نظر می رسد، اما در عین حال ذخیره كردن آن می تواند مشكلاتی را نیز به همراه داشته باشد. هیدروژن حدوداً در دمای ۲۰ درجه كلوین (۲۵۳ درجه سانتی گراد) مایع می شود. نگهداری از یك مخزن پر از هیدروژن مایع نیازمند استفاده از یك سیستم خنك كننده جانبی سنگین است، فعلاً استفاده از این سیستم ها در خودروهای مسافربری معمولی مقدور نیست. هیدروژن مایع چنان سرد است كه حتی می تواند باعث منجمد شدن هوا نیز شود.
این امر می تواند به مسدود شدن شیرها و اتصالات منجر شود كه افزایش ناخواسته فشار را به همراه دارد. البته ممكن است گفته شود برای مقابله با انجماد هوا از سیستم های عایق كاری استفاده شود، اما این كار نیز مشكلاتی را در پی دارد كه از جمله آنها می توان به افزایش وزن سیستم ذخیره سازی سوخت اشاره كرد. با این تفاسیر چگونه می توان بر مشكلات پیش رو غلبه كرد؟ ساده است: چند قطعه سنگ را در داخل مخزن سوخت قرا دهید. البته در این مورد نمی توان از سنگ های معمولی استفاده كرد بلكه باید از سنگ های ویژه ای كه زئولیت (Zeolite) نام دارند استفاده كرد. ساكو در تشریح خواص این سنگ ها می گوید: «زئولیت ها موادی از جنس سنگ هستندكه بسیار متخلخلند و به همین دلیل می توانند به عنوان اسفنج های مولكولی عمل كنند. زئولیت ها در شكل كریستالی خود به صورت شبكه گسترده ای از حفره ها و شكاف های به هم پیوسته در نظر گرفته می شوند كه بسیار شبیه كندوی زنبور عسل است. یك مخزن سوخت كه در ساختار آن از این موارد كریستالی استفاده شده است، می تواند گاز هیدروژن را «در حالت شبه مایع و بدون نیاز به سیستم های خنك كننده سنگین» به دام انداخته و در خود ذخیره كند. ساكو و همكارانش در نظر دارند، با استفاده از كمك های برنامه توسعه تولیدات فضایی ناسا كه در مركز پروازهای فضایی مارشال مستقر است، ایده استفاده از زئولیت ها در مخزن سوخت را عملی سازند. نام زئولیت از كلمات یونانی «Zeo » به معنای جوشیدن و «lithos » به معنای جوشیدن مشتق شده است و معنای تحت اللفظی آن «سنگی كه می جوشد» است. این نام را به این دلیل به این سنگ ها اطلاق می كنند كه هنگامی كه تحت تاثیر حرارت قرار می گیرند، محتویات خود را خارج می كنند. ساكو طرز كار مخزن های سوخت زئولیت دار كه در دما كنترل می شود را این گونه شرح می دهد: «در ابتدا باید مقداری یون های با بار منفی را به این زئولیت ها بیافزاییم. این یون ها مثل تشتك عمل می كنند، درست مثل درپوش دوات؛ و بدین ترتیب حفره های موجود در شبكه كریستالی را مسدود می كنند. می توان با حرارت دادن زئولیت به میزان بسیار جزیی یون ها را از مقابل این حفره ها به كناری راند. می توان زئولیت ها را از هیدروژن انباشته كرد و سپس دمای آن را به حالت عادی برگرداند، با این كار یون ها به جای قبلی خود برمی گردند و مانع خروج محتویات حفره ها می شوند.»
حدود ۵۰ نوع زئولیت مختلف با تركیب شیمیایی و ساختار كریستالی متفاوت در طبیعت یافت می شود، گذشته از این شیمیدان ها روش ساخت مصنوعی تعداد دیگری از آنها را دریافته اند. كسانی كه گربه دارند ممكن است با این مواد آشنایی داشته باشند. چرا كه از این مواد به عنوان بوگیر در بستر حیوان استفاده می شود. ساكو خاطرنشان می سازد: «با استفاده از زئولیت های موجود می توان مقدار كمی از هیدروژن را ذخیره كرد، اما این مقدار كافی نیست.» پس چه مقدار هیدروژن كافی است؟
تصور كنید دیواره مخزن سوخت خودروی شما توسط سنگ های متخلخل و كریستالی پوشیده شده است و این سنگ ها حدود ۴۰ كیلوگرم وزن دارد. به جایگاه سوخت گیری مراجعه می كنید و متصدی جایگاه حدود ۵/۳ كیلوگرم هیدروژن را به مخزن پوشیده از زئولیت خودروی شما تزریق می كند.از لحاظ نظری این مقدار هیدروژن، هم از لحاظ وزنی و هم از لحاظ مقدار انرژی ذخیره شده در آن برابر مخزنی پر از بنزین است. ساكو خاطر نشان می سازد: «اگر بتوان كریستال هایی از زئولیت تولید كرد كه بتواند حدود ۶ تا ۶ درصد از وزن خود را، هیدروژن ذخیره كند، آن وقت یك مخزن زئولیتی پر از هیدروژن می تواند با یك مخزن معمولی پر از بنزین رقابت كند.» با این همه بهترین زئولیت های موجود می توانند فقط ۲ تا ۳ درصد از وزن خود را هیدروژن ذخیره كنند. در سال ۱۹۹۵ ساكو به عنوان یكی از متخصصین یك ماموریت به وسیله شاتل فضایی، كلمبیا (sts-۷۳) به فضا مسافرت كرد. هدف وی از این ماموریت این بود كه بتواند زئولیت هایی با كیفیت بهتر را در فضا تولید كند. «در محیطهای با گرانش كم، مواد با سرعت بسیار كمتری گرد هم مجتمع می شوند و این اثر باعث می شود كه كریستال های زئولیت به وجود آمده هم بزرگ تر باشند و هم از نظم بیشتری برخوردار شوند.»
كریستال های زئولیت تولید شده در زمین بسیار كوچك هستند و ضخامت آنها در حدود ۲ تا ۸ میكرون است. این مقدار حدود یك دهم ضخامت موی انسان است. اما كریستال هایی را كه ساكو توانست در فضا تهیه كند هم ده مرتبه بزرگ تر بودند و هم ساختار داخلی مناسب تری داشتند و این شروع مسرت بخشی بود.
ساكو می گوید: «مراحل بعدی كار را باید در ایستگاه فضایی بین المللی انجام داد.» ساكو و همكارانش یك كوره تولید كریستال های زئولیت ساخته اند، كه در ابتدای سال ۲۰۰۲ در ایستگاه فضایی بین المللی نصب شده است. كن بوور ساكس فرمانده یكی از ماموریت های ایستگاه فضایی بین المللی از این كوره برای تولید چند نمونه از كریستال ها استفاده كرده است. كن در حین كار مجبور بود بعضی از مشكلات غیرمنتظره به وجود آمده هنگام اختلاط محلول های به كار رفته در رشد كریستال ها را حل كند - این امر ارزش حضور انسان در هنگام آزمایشات فضایی را نشان می دهد - اما از آن پس آزمایشات مربوط به این گونه كریستال ها با سرعت كمتری به پیش می رود. ساكو می گوید در مرحله بعد باید كریستال های تولید شده در فضا را به زمین منتقل كرد و آزمایشات مربوطه را روی آنها انجام داد. البته وی خاطرنشان می سازد كه هدف آنها تولید انبوه كریستال های زئولیت در فضا نیست، چرا كه این كار - حداقل فعلاً - مقرون به صرفه نیست. وی می گوید ما فقط می خواهیم دریابیم آیا می توان زئولیت هایی را ساخت كه بتوانند هفت درصد از وزن خود را هیدروژن ذخیره كنند یا خیر؟ اگر بتوان این كار را در فضا انجام داد، آن وقت می توان با اتخاذ تدابیر ویژه ای دریافت كه چگونه همین فرآیند را در زمین به گونه مشابهی انجام داد.
در تمام طول دوره انجام این تحقیقات ساكو در فكر تغییر مصرف سوخت و تحول جهانی از سوخت های فسیلی به سمت سوخت هیدروژنی بود. این ایده رویایی بزرگ است اما می توان به آن دست یافت. زئولیت ها می توانند به عنوان نكته كلیدی برای استفاده از سوخت هیدروژن و رد شدن از سد مشكلات فناوری محسوب شوند. به زودی این ایده فراگیر خواهد شد، آن وقت احتمالاً كسی از شما خواهد پرسید... «آیا در این نزدیكی جایگاه سوخت هیدروژن وجود دارد؟»

دكتر تونی فیلیپس و استیو پرایس
ترجمه: سلیمان فرهادیان

منبع : شبکه فیزیکی هوپا