بازگشت عصر آهن: فلزات سوخت ايده‌آل جهان آينده
آفتاب‌‌نیوز : 
اين امر موجب مي‌شود كه قابليت واكنش پذيري و اشتعال اين توده بشدت افزايش يابد. با آتش زدن اين توده پودر مقادير بسيار زيادي انرژي آزاد مي‌شود.
محاسبات بيچ نشان مي‌دهد كه يك اتومبيل معمولي كه باك بنزين آن تغيير يافته باشد و به بنزين پر از اين نوع پودرهاي فلزي باشد، مي‌تواند تا سه برابر بيشتر از اتومبيلهاي كنوني سفر كند. از اين مهمتر به علت نوع سوختن اين ذرات نانو، ميزان آلودگي توليد شده به وسيله آنها تقريبا صفر است.
به اين ترتيب سوخت فلزي به معناي آن است كه نه دي اكسيد كربني بوجود مي آيد نه گرد و خاك و دوده‌اي توليد مي‌شود و نه اكسيد نيتروژن به هوا متصاعد مي‌شود.
اين سوخت كاملا قابل بازيافت است. به اين ترتيب سوخت جديد مي‌تواند نويد بازگشت عصر آهن دوباره‌اي را بدهد. همه انواع موتورها از موتور اتومبيلها گرفته تا موتور واحدهاي گرمايي و تهويه مطبوع تا توربين نيروگاهها را مي‌توان به گونه‌اي تغيير داد كه بتوانند از سوخت جديد استفاده كند.
ايده پر كردن باك بنزين از پودر فلز به ظاهر عجيب مي‌نمايد اما موتورهاي اتومبيلها مي‌توانند با انواع مواد از متان تا پودر زغال و تا باروت كار كنند.
اما حسن پودر فلز آن است كه در حجم مساوي دوبرابر بيشتر از بنزين انرژي آزاد مي‌كند و تازه اگر به جاي آهن از بورون استفاده شود بازده توليد انرژي به جاي دو برابر تا پنج برابر افزايش مي‌يابد.
در موشكهايي كه سفينه‌هاي فضايي را بالا مي‌برند پيشاپيش از اين نوع سوختهاي پودر فلز استفاده مي‌شود.
اندكي پودر آلومينيوم كه سوخت جامد موشك اضافه شود توان بالا بري آن را به مراتب افزايش مي‌دهد. در اژدرها و موشكهاي جنگي نيز از اين نوع سوخت استفاده به عمل مي‌ايد.
اما قرار دادن پودر فلز داخل موشك يك مساله متفاوت با جاي دادن آن درون باك اتومبيل براي تغذيه موتور ان است.
زماني كه ذرات آهن يا الومينيوم در معرض هوا قرار مي‌گيرند با لايه‌اي از اكسيد پوشيده مي‌شوند و براي آتش زدن سوخت لازم است اين لايه برداشته شود.
براي اين منظور در اغلب فلزات دماي محيط بايد تا دو هزار درجه سانتيگراد افزايش داده شود. اين دما براي كپسول سوخت يك موشك دماي مناسبي است اما براي اتاقك اتومبيلي كه سرنشينان آن قصد رسيدن به مقصد را دارند ايده جالبي به نظر نمي‌رسد.
يك مشكل ديگر آن است كه زماني كه فلز اكسيده شده شروع به سرد شدن مي كند تبديل به جامد مي‌شود و شكل خاكستر به خود مي‌گيرد و از بين بردن اين توده خاكستر در درون اتاقك احتراق موشكها كار آساني است اما در درون موتورهاي احتراق دروني اتومبيلها اين كار يك كابوس است.
سولومن لابينف كه در همان آزمايشگاه اوك ريج به پژوهش اشتغال دارد با اين دشواريها آشنا است. در اوايل دهه ۱۹۸۰زماني كه او مدير موسسه مهندسي كيف در اوكراين بود او و همكارانش ذرات ميكرومتري آهن را در موتورهاي احتراق دروني اتومبيلها مي‌سوزاندند.
آنان موتورها را چنان تغيير داده بودند كه مي‌توانستند در دماي بالا كار كنند.
اما مشاهده كردند كه خاكستر اكسيد فلز در روي پيستونها و درون بدنه سيلندرها و درون شيرهاي توزيع سوخت باقي مي‌ماند و مانع كار موتور مي‌شود.
درآن زمان اين گروه از محققان اوكرايني نتوانستند راه حلي براي مساله پيدا كنند.
لابينف در سالهاي بعد به آمريكا مهاجرت كرد و در آزمايشگاه اوك ريج سرگرم پژوهش شد. او در سال ۲۰۰۳به بيچ و بابي سومپتر كه نظريه پرداز است پيشنهاد كرد دوباره به مساله توجه كنند و اين بار از ذرات نانو كمك بگيرند.
در آزمايشهايي كه صورت گرفت آنان متوجه شدند اگر ابعاد ذرات آهن در مقياس نانو در حدود ۵۰نانو متر باشد بهتر از بقيه حالات آتش مي‌گيرد.
در مورد اين ذرات كافي بود دماي محيط تنها تا ۲۵۰درجه بالا رود يا آنكه تنها يك جرقه در اتاقك سوخت زده شود.
بررسيهاي بعدي نشان داد كه نحوه رفتار ذرات در ابعاد نانو با نحوه رفتار آنها در ابعاد ميكرو تفاوت‌هاي بارز دارد.
ذرات در ابعاد نانو به مراتب بهتر مي‌سوزند علت اين امر آن است كه نسبت سطح به هوا، در اين ذرات بسيار زياد است و بنابراين حجم زيادي اكسيژن براي سوختن در اختيار دارند.
آهن با سرعت و سهولت زياد با اكسيژن واكنش شيميايي انجام مي‌دهد و بنابراين اگر يك قسمت از اهن در معرض اكسيژن قرار گيرد اكسيده شدن سبب آتش گرفتن آن مي‌شود و احتراق بسرعت به بقيه توده نيز سرايت مي‌كند.
به همين علت براي جلوگيري از آتش گرفتن پودر ذرات آهن لايه اكسيد بر روي آنها قرار داده مي‌شود.
سطح وسيع ذرات نانو اين مزيت را دارد كه با تنها اندكي حرارت دادن اين توده كه داراي لايه محافظ اكسيد است، اكسيژن مي‌توان مشتعل شود و بقيه مجموعه را محترق سازد.
يك نتيجه اين امر آن است كه همينكه ذرات نانو به وسيله مثلا يك جرقه آتش گرفتند با سرعت مي‌سوزند و دماي اتاق احتراق را تا ۸۰۰درجه بالا مي برند.
اين دما براي انجام كار مفيد مناسب است اما آنقدر بالا نيست كه بدنه موتور را كه از جنس آلياژ مقاوم است در معرض خطر قرار دهد.
نكته مهم آنكه ذرات نانو بر خلاف ذرات ميكرو، آنگونه نمي‌سوزند كه بخار يا دوده توليد كنند يا آنكه ذوب شوند. اين ذرات صرفا اكسيده مي‌شوند و در جاي خود توده‌اي از ذرات نانو اكسيده شده برجاي مي‌گذارند.
معناي اين امر آن است كه هيچ جرم مزاحم به سيلندرو پيستون و شيرها نمي‌چسبد و باعث از كار افتادن موتور نمي‌شود.
اين توده ذرات اكسيده شده را دوباره مي‌توان به صورت ذرات فلز نانو درآورد و از آنها به عنوان سوخت استفاده كرد. بيچ اين توده اكسيده شده را حرارت داد و تا دماي ۴۲۵درجه سانتيگراد گرم كرد.
ذرات اكسيد آهن دوباره به آهن تبديل شدند و اكسيژن آزاد شده با هيدروژن تركيب شد و آب توليد كرد.
به اين ترتيب ذرات نانو بار ديگر براي استفاده به عنوان سوخت آماده بودند.
براي استفاده از ذرات نانو به عنوان سوخت يك مساله ديگر باقي بود.
هر يك از ذرات نانو به تنهايي به صورت يك جرقه مي‌سوزد و حرارت خود را در يك هزارم ثانيه آزاد مي‌كند. اما براي تبديل اين ذرات به سوخت مفيد براي موتورهاي مختلف آهنگ سوختن اين ذرات نبايد اين اندازه سريع باشد.
در موتورهاي احتراق داخلي هر يك از انفجارهاي آزادكننده انرژي بين ۵تا ۲۰هزارم ثانيه به طول مي‌انجامد.
اگر حرارت در زماني كوتاهتر آزاد شود، بازده سوخت در پائين تر از حد مطلوب قرار خواهد داشت.
گروه محققان ازمايشگاه اوك ريج كوشيدند تا با فشرده كردن ذرات به صورت خوشه‌هاي طويل تر زمان سوختن آنها را طولاني تر كنند. ايده آن بود كه هم از سرعت رسيدن اكسيژن به سوخت بكاهند و هم از سرعت انتقال حرارت در توده ذرات نانو تا به اين ترتيب سرعت آتش گرفتن مجموعه كاهش يابد.
اين نقشه با موفقيت نتيجه داد. بيچ و همكارانش دريافتند كه مي‌توانند خوشه‌هايي از ذرات نانو درست كنند كه هر يك بين يك تا ۲۰۰ميلي گرم وزن دارد و با تنظيم شكل اين خوشه‌ها و تنظيم چگالي بخشهاي مختلف آنها مي‌توان آهنگ اشتعال هر خوشه را كنترل كرد.
در حاليكه هر تك ذره با سرعت و سهولت مشتعل مي‌شود خوشه‌هايي كه به اين ترتيب درست شده اگر به اندازه مناسب بلند باشند براي سوختن به ۵۰۰تا ۲ هزارم ثانيه زمان نياز دارند.
اكنون كه بخش اول تحقيقات در مورد سوخت پودر فلزات به انجام رسيده اين محققان درصددند تا موتوري را طراحي كنند كه بتواند با اين نوع سوخت به نحو بهينه كار كند.
به اعتقاد بيچ تبديل يك موتور احتراق بيروني نظير توربين گاز در يك هواپيما يا موتور يك وسيله نقليه مانند تانك يا حتي آن نوع توربينها كه در نيروگاهها به كار مي‌رود و برق توليد مي‌كند به موتورهاي احتراق بيروني كه با اين ذرات نانو كار مي‌كنند كار نسبتا ساده‌اي است.
در اين نوع موتورها تنها كافي است سيستم انتقال و تحويل سوخت دستخوش اندكي تغيير شود و راهي براي جمع آوري سوخت مصرف شده به منظور بازيافت آن پيدا كرد.
يك گزينه ديگر عبارت از استفاده از اين سوخت براي به حركت در آوردن يك موتور استرلينگ است.
اين موتور يك موتور احتراق خارجي با بازده بسيار بالا است كه در آن سوخت اعم از گاز يا سيال به نحو متناوب سرد و گرم مي‌شود و پيستون را به حركت در مي‌آورد.
اين نوع موتورها مصارف خانگي در جاهايي كه حرارت و قدرت تركيب مي‌شوند و در مصارف تجاري در سيستم خنك‌كننده ماهواره‌ها استفاده مي‌شود.
در مورد خودروها نيز استفاده از اين نوع موتور استرلينگ امكان پذير است.
ناسا و شماري از سازندگان خودرو از جمله شركت فورد سرگرم آزمايش اين موتور بر روي اتومبيلها هستند اما بيچ اميدوار است بتواند اين نوع سوخت پودر فلز را در مورد اتومبيلهاي احتراق داخلي نيز مورد استفاده قرار دهد يك موتور ديزل تغيير شكل يافت مي‌تواند اين پودر نانو را درست نظير سوخت گازوئيل در موتورهاي معمولي مورد استفاده قرار دهد.
به نظر بيچ مي‌توان پودر نانو را از درون يك مخزن به درون محفظه سيلندر پاشيد و اكسيژن لازم براي احتراق را نيز فراهم آورد.
يك جرقه مي‌تواند موجب احتراق سوخت در محفظه احتراق شود و پيستون را به حركت درآورد.
محققان بايد در عين حال راهي براي جمع‌آوري سوخت مصرف شده پيدا كنند.
يك راه حل عبارت است از انبار كردن سوخت مصرف شده در سيلندرهايي كه داراي غشاهاي مجزاكننده متحرك هستند و كپسول را به دو بخش تقسيم مي‌كنند.
در يك بخش پودر استفاده نشده قرار داده مي‌شود و در بخش ديگر سوخت مصرف شده و پودر سوخته شده را مي‌توان با كمك يك فيلتر يا صافي جمع آوري كرد.
از آنجا كه اكسيد آهن خاصيت آهنربايي دارد مي‌توان با كمك يك مغناطيس برقي اين سوخت را جمع آوري كرد. زماني كه راننده مي‌خواهد مخزن سوخت خود را پر كند مي‌توان كل كپسول را خالي كرد و آن را از پودر تازه پر ساخت.
نتيجه عمل موتوري خواهد بود مشابه موتورهاي كنوني اما در نتيجه كار كردن آن هيچ يك از مواد آلوده‌سازي كه موتورهاي كنوني توليد مي‌كنند بوجود نمي‌اورد.
البته هنوز براي آنكه بتوان از سوخت جديد و موتورهاي مناسب آن بهره گرفت بايد كارهاي زيادي در خصوص رابطه ميان دما، سرعت احتراق و كاركرد موتور به انجام رساند.
خودرويي كه با اين نوع سوخت كار مي‌كند بايد هم رانندگان را راضي كند و هم طرفداران محيط زيست را راضي نگاه دارد.
البته هنوز جنبه‌هاي منفي مهمي وجود دارد كه بايد بر آنها غلبه شود.
يك مشكل اصلي مساله وزن است. بنا به اظهار نيتن گلاسگو از موسسه مشاوره راكي مانتين هرچند آهن در قياس با هيدرووژن سوخت فشرده‌اي به شمار مي‌آيد اما بسيار سنگين است و هرچند يازده انرژي آن براي يك باك پر دوبرابر بنزين است اما وزن اين باك نيز دو برابر وزن باكي خواهد بود كه پر از بنزين باشد و با توجه به آنكه سوخت مصرف شده در درون خود اتومبيل نگاهداري مي‌شود اين وزن اضافي در جريان سفر از بين نمي‌رود.
به اعتقاد ديويد كيث فيزيكدان از دانشگاه گلگري در آلبرتا جنبه‌هاي علمي طرح جديد دقيق و قابل قبول است اما مساله وزن، براي اين نوع سوخت مشكل افزا خواهد بود.
به گفته اين فيزيكدان سوخت هيدروژني، در صورتي كه بتوان بر مشكلات آن فائق آمد- بهترين سوخت محسوب مي‌شود زيرا در هر كيلوگرم ۱۲برابر آهن انرژي در خود ذخيره مي‌كند.
اما بيچ با اين استدلالها موافق نيست. به اعتقاد او سوخت آهن مطمئن تر ، ايمن تر، راحت تر و سهل الاستفاده تر از سوخت هيدروژني است.
مهندسان هنوز براي جا دادن هيدروژن در محفظه‌هاي مناسب براي حمل در خودروها با مشكلات زياد روبرو هستند در حاليكه سوخت فلزي از هم اكنون قابل استفاده است.
از اين گذشته سوخت هيدروژني با يك مشكل جدي روبروست: در استفاده از سوخت هيدروژني، محصولي كه از احتراق به دست مي‌آيد آب است و اين آب در محيط آزاد مي‌شود. اما بسياري از كارشناسان محيط زيست معتقدند در صورت رواج يافتن اتومبيلهاي هيدروژني ميزان ابي كه از طريق آنها وارد جو زمين خواهد شد آنقدر زياد خواهد بود كه شرايط آب و هوايي كره زمين را كاملا دگرگون خواهد كرد.
در برابر بازيافت فلز از اكسيد فلز نيز به آب نياز دارد اما اين عمل بازيافت در مراكزي كه در نظير پمپ بنزينهاي كنوني در كنار جاده‌ها برپا مي‌شوند صورت مي‌گيرد و مي‌توان در آنها آب حاصل از عمل را جمع آوري و از ورود آن به جو جلوگيري كرد و حتي اين امكان وجود دارد كه با استفاده از عمل الكتروليز دوباره ان را به صورت هيدروژن و اكسيژن درآورد.
حتي مي‌توان به كلي از استفاده از هيدروژن در بازيافت فلز دست برداشت به اين شرط كه بتوان عمل جداسازي و مجزا كردن كربن را تحقق بخشيد و در اين صورت مي‌توان از مونو اكسيد كربن براي بازيافت فلز استفاده كرد.
در جريان عمل اكسيد كربن توليد مي‌شود. مونو اكسيد كربن يكي از محصولات فرعي گازي كردن زغال است. اين فناوري درآينده نزديك به منظور كاستن از آلودگي هوا در بسياري از كشورها از جمله چين به كار گرفته خواهد شد.
از اين مونو اكسيد توليد شده در فعاليت گازي كردن زغال مي‌توان براي بازيافت فلز استفاده به عمل آورد و به اين ترتيب به يك كرشمه چند كار را به انجام رساند.
البته شرط استفاده جنانكه گفته شد آن است كه بتوان چاره‌اي براي دي اكسيد كربن توليد شده پيدا كرد.
بيچ در مورد مساله وزن معتقد است مي‌توان به جاي آهن از ذرات آلومينيوم در مقياس نانو استفاده كرد و اين ذرات در هر كيلو گرم وزن تقريبا به همان اندازه آهن انرژي آزاد مي‌كنند.
اگر از ذرات بورون استفاده شود كه در هر كيلوگرم وزن شش برابر آهن انرژي به دست مي‌آيد.
اما از آنجا كه اين دو فلز از آهن گرانترند قيمت سوخت توليد شده به وسيله آنها نيز گرانتر خواهد بود. به عنوان مثال بهاي آلومينيوم ۱۵ برابر بهاي آهن است.
با اين حال محققان آزمايشگاه ملي اوك بريج هنوز در آغاز راهند و در حال حاضر در صدد تكميل نخستين نمونه عملي موتوري هستند كه با سوخت فلزي كار مي‌كند اين امر به نيت برآورد هزينه‌هاي واقعي اين محصول است.
اين پژوهشگران همچنين در نظر دارند با انجام سلسله‌اي از آزمايشها اندازه بهينه ذرات نانو را كه براي پودر شدن و استفاده به سوخت مناسبند مشخص سازند. زمينه‌هاي ديگر از جمله بهترين شيوه بسته‌بندي و انبار كردن سوخت و تزريق آن به موتور نيز نيازمند بررسيهاي دقيق تر است.
اما نتيجه اين بررسيهاي هرچه باشد گروه پژوهشگران اوك ريج امكان تازه‌اي را در عرصه پاسخگويي به نياز به سوخت براي موتورهاي صنعتي مطرح ساخته‌اند كه براحتي نمي‌توان از كنار آن گذر كرد و آن را ناديده گرفت.
اين امر موجب مي‌شود كه قابليت واكنش پذيري و اشتعال اين توده بشدت افزايش يابد. با آتش زدن اين توده پودر مقادير بسيار زيادي انرژي آزاد مي‌شود. محاسبات بيچ نشان مي‌دهد كه يك اتومبيل معمولي كه باك بنزين آن تغيير يافته باشد و به بنزين پر از اين نوع پودرهاي فلزي باشد، مي‌تواند تا سه برابر بيشتر از اتومبيلهاي كنوني سفر كند. از اين مهمتر به علت نوع سوختن اين ذرات نانو، ميزان آلودگي توليد شده به وسيله آنها تقريبا صفر است.
به اين ترتيب سوخت فلزي به معناي آن است كه نه دي اكسيد كربني بوجود مي آيد نه گرد و خاك و دوده‌اي توليد مي‌شود و نه اكسيد نيتروژن به هوا متصاعد مي‌شود.
اين سوخت كاملا قابل بازيافت است. به اين ترتيب سوخت جديد مي‌تواند نويد بازگشت عصر آهن دوباره‌اي را بدهد. همه انواع موتورها از موتور اتومبيلها گرفته تا موتور واحدهاي گرمايي و تهويه مطبوع تا توربين نيروگاهها را مي‌توان به گونه‌اي تغيير داد كه بتوانند از سوخت جديد استفاده كند.
ايده پر كردن باك بنزين از پودر فلز به ظاهر عجيب مي‌نمايد اما موتورهاي اتومبيلها مي‌توانند با انواع مواد از متان تا پودر زغال و تا باروت كار كنند.
اما حسن پودر فلز آن است كه در حجم مساوي دوبرابر بيشتر از بنزين انرژي آزاد مي‌كند و تازه اگر به جاي آهن از بورون استفاده شود بازده توليد انرژي به جاي دو برابر تا پنج برابر افزايش مي‌يابد.
در موشكهايي كه سفينه‌هاي فضايي را بالا مي‌برند پيشاپيش از اين نوع سوختهاي پودر فلز استفاده مي‌شود.
اندكي پودر آلومينيوم كه سوخت جامد موشك اضافه شود توان بالا بري آن را به مراتب افزايش مي‌دهد. در اژدرها و موشكهاي جنگي نيز از اين نوع سوخت استفاده به عمل مي‌ايد.
اما قرار دادن پودر فلز داخل موشك يك مساله متفاوت با جاي دادن آن درون باك اتومبيل براي تغذيه موتور ان است.
زماني كه ذرات آهن يا الومينيوم در معرض هوا قرار مي‌گيرند با لايه‌اي از اكسيد پوشيده مي‌شوند و براي آتش زدن سوخت لازم است اين لايه برداشته شود.
براي اين منظور در اغلب فلزات دماي محيط بايد تا دو هزار درجه سانتيگراد افزايش داده شود. اين دما براي كپسول سوخت يك موشك دماي مناسبي است اما براي اتاقك اتومبيلي كه سرنشينان آن قصد رسيدن به مقصد را دارند ايده جالبي به نظر نمي‌رسد.
يك مشكل ديگر آن است كه زماني كه فلز اكسيده شده شروع به سرد شدن مي كند تبديل به جامد مي‌شود و شكل خاكستر به خود مي‌گيرد و از بين بردن اين توده خاكستر در درون اتاقك احتراق موشكها كار آساني است اما در درون موتورهاي احتراق دروني اتومبيلها اين كار يك كابوس است.
سولومن لابينف كه در همان آزمايشگاه اوك ريج به پژوهش اشتغال دارد با اين دشواريها آشنا است. در اوايل دهه ۱۹۸۰زماني كه او مدير موسسه مهندسي كيف در اوكراين بود او و همكارانش ذرات ميكرومتري آهن را در موتورهاي احتراق دروني اتومبيلها مي‌سوزاندند.
آنان موتورها را چنان تغيير داده بودند كه مي‌توانستند در دماي بالا كار كنند.
اما مشاهده كردند كه خاكستر اكسيد فلز در روي پيستونها و درون بدنه سيلندرها و درون شيرهاي توزيع سوخت باقي مي‌ماند و مانع كار موتور مي‌شود.
درآن زمان اين گروه از محققان اوكرايني نتوانستند راه حلي براي مساله پيدا كنند.
لابينف در سالهاي بعد به آمريكا مهاجرت كرد و در آزمايشگاه اوك ريج سرگرم پژوهش شد. او در سال ۲۰۰۳به بيچ و بابي سومپتر كه نظريه پرداز است پيشنهاد كرد دوباره به مساله توجه كنند و اين بار از ذرات نانو كمك بگيرند.
در آزمايشهايي كه صورت گرفت آنان متوجه شدند اگر ابعاد ذرات آهن در مقياس نانو در حدود ۵۰نانو متر باشد بهتر از بقيه حالات آتش مي‌گيرد.
در مورد اين ذرات كافي بود دماي محيط تنها تا ۲۵۰درجه بالا رود يا آنكه تنها يك جرقه در اتاقك سوخت زده شود.
بررسيهاي بعدي نشان داد كه نحوه رفتار ذرات در ابعاد نانو با نحوه رفتار آنها در ابعاد ميكرو تفاوت‌هاي بارز دارد.
ذرات در ابعاد نانو به مراتب بهتر مي‌سوزند علت اين امر آن است كه نسبت سطح به هوا، در اين ذرات بسيار زياد است و بنابراين حجم زيادي اكسيژن براي سوختن در اختيار دارند.
آهن با سرعت و سهولت زياد با اكسيژن واكنش شيميايي انجام مي‌دهد و بنابراين اگر يك قسمت از اهن در معرض اكسيژن قرار گيرد اكسيده شدن سبب آتش گرفتن آن مي‌شود و احتراق بسرعت به بقيه توده نيز سرايت مي‌كند.
به همين علت براي جلوگيري از آتش گرفتن پودر ذرات آهن لايه اكسيد بر روي آنها قرار داده مي‌شود.
سطح وسيع ذرات نانو اين مزيت را دارد كه با تنها اندكي حرارت دادن اين توده كه داراي لايه محافظ اكسيد است، اكسيژن مي‌توان مشتعل شود و بقيه مجموعه را محترق سازد.
يك نتيجه اين امر آن است كه همينكه ذرات نانو به وسيله مثلا يك جرقه آتش گرفتند با سرعت مي‌سوزند و دماي اتاق احتراق را تا ۸۰۰درجه بالا مي برند.
اين دما براي انجام كار مفيد مناسب است اما آنقدر بالا نيست كه بدنه موتور را كه از جنس آلياژ مقاوم است در معرض خطر قرار دهد.
نكته مهم آنكه ذرات نانو بر خلاف ذرات ميكرو، آنگونه نمي‌سوزند كه بخار يا دوده توليد كنند يا آنكه ذوب شوند. اين ذرات صرفا اكسيده مي‌شوند و در جاي خود توده‌اي از ذرات نانو اكسيده شده برجاي مي‌گذارند.
معناي اين امر آن است كه هيچ جرم مزاحم به سيلندرو پيستون و شيرها نمي‌چسبد و باعث از كار افتادن موتور نمي‌شود.
اين توده ذرات اكسيده شده را دوباره مي‌توان به صورت ذرات فلز نانو درآورد و از آنها به عنوان سوخت استفاده كرد. بيچ اين توده اكسيده شده را حرارت داد و تا دماي ۴۲۵درجه سانتيگراد گرم كرد.
ذرات اكسيد آهن دوباره به آهن تبديل شدند و اكسيژن آزاد شده با هيدروژن تركيب شد و آب توليد كرد.
به اين ترتيب ذرات نانو بار ديگر براي استفاده به عنوان سوخت آماده بودند.
براي استفاده از ذرات نانو به عنوان سوخت يك مساله ديگر باقي بود.
هر يك از ذرات نانو به تنهايي به صورت يك جرقه مي‌سوزد و حرارت خود را در يك هزارم ثانيه آزاد مي‌كند. اما براي تبديل اين ذرات به سوخت مفيد براي موتورهاي مختلف آهنگ سوختن اين ذرات نبايد اين اندازه سريع باشد.
در موتورهاي احتراق داخلي هر يك از انفجارهاي آزادكننده انرژي بين ۵تا ۲۰هزارم ثانيه به طول مي‌انجامد.
اگر حرارت در زماني كوتاهتر آزاد شود، بازده سوخت در پائين تر از حد مطلوب قرار خواهد داشت.
گروه محققان ازمايشگاه اوك ريج كوشيدند تا با فشرده كردن ذرات به صورت خوشه‌هاي طويل تر زمان سوختن آنها را طولاني تر كنند. ايده آن بود كه هم از سرعت رسيدن اكسيژن به سوخت بكاهند و هم از سرعت انتقال حرارت در توده ذرات نانو تا به اين ترتيب سرعت آتش گرفتن مجموعه كاهش يابد.
اين نقشه با موفقيت نتيجه داد. بيچ و همكارانش دريافتند كه مي‌توانند خوشه‌هايي از ذرات نانو درست كنند كه هر يك بين يك تا ۲۰۰ميلي گرم وزن دارد و با تنظيم شكل اين خوشه‌ها و تنظيم چگالي بخشهاي مختلف آنها مي‌توان آهنگ اشتعال هر خوشه را كنترل كرد.
در حاليكه هر تك ذره با سرعت و سهولت مشتعل مي‌شود خوشه‌هايي كه به اين ترتيب درست شده اگر به اندازه مناسب بلند باشند براي سوختن به ۵۰۰تا ۲ هزارم ثانيه زمان نياز دارند.
اكنون كه بخش اول تحقيقات در مورد سوخت پودر فلزات به انجام رسيده اين محققان درصددند تا موتوري را طراحي كنند كه بتواند با اين نوع سوخت به نحو بهينه كار كند.
به اعتقاد بيچ تبديل يك موتور احتراق بيروني نظير توربين گاز در يك هواپيما يا موتور يك وسيله نقليه مانند تانك يا حتي آن نوع توربينها كه در نيروگاهها به كار مي‌رود و برق توليد مي‌كند به موتورهاي احتراق بيروني كه با اين ذرات نانو كار مي‌كنند كار نسبتا ساده‌اي است.
در اين نوع موتورها تنها كافي است سيستم انتقال و تحويل سوخت دستخوش اندكي تغيير شود و راهي براي جمع آوري سوخت مصرف شده به منظور بازيافت آن پيدا كرد.
يك گزينه ديگر عبارت از استفاده از اين سوخت براي به حركت در آوردن يك موتور استرلينگ است.
اين موتور يك موتور احتراق خارجي با بازده بسيار بالا است كه در آن سوخت اعم از گاز يا سيال به نحو متناوب سرد و گرم مي‌شود و پيستون را به حركت در مي‌آورد.
اين نوع موتورها مصارف خانگي در جاهايي كه حرارت و قدرت تركيب مي‌شوند و در مصارف تجاري در سيستم خنك‌كننده ماهواره‌ها استفاده مي‌شود.
در مورد خودروها نيز استفاده از اين نوع موتور استرلينگ امكان پذير است.
ناسا و شماري از سازندگان خودرو از جمله شركت فورد سرگرم آزمايش اين موتور بر روي اتومبيلها هستند اما بيچ اميدوار است بتواند اين نوع سوخت پودر فلز را در مورد اتومبيلهاي احتراق داخلي نيز مورد استفاده قرار دهد يك موتور ديزل تغيير شكل يافت مي‌تواند اين پودر نانو را درست نظير سوخت گازوئيل در موتورهاي معمولي مورد استفاده قرار دهد.
به نظر بيچ مي‌توان پودر نانو را از درون يك مخزن به درون محفظه سيلندر پاشيد و اكسيژن لازم براي احتراق را نيز فراهم آورد.
يك جرقه مي‌تواند موجب احتراق سوخت در محفظه احتراق شود و پيستون را به حركت درآورد.
محققان بايد در عين حال راهي براي جمع‌آوري سوخت مصرف شده پيدا كنند.
يك راه حل عبارت است از انبار كردن سوخت مصرف شده در سيلندرهايي كه داراي غشاهاي مجزاكننده متحرك هستند و كپسول را به دو بخش تقسيم مي‌كنند.
در يك بخش پودر استفاده نشده قرار داده مي‌شود و در بخش ديگر سوخت مصرف شده و پودر سوخته شده را مي‌توان با كمك يك فيلتر يا صافي جمع آوري كرد.
از آنجا كه اكسيد آهن خاصيت آهنربايي دارد مي‌توان با كمك يك مغناطيس برقي اين سوخت را جمع آوري كرد. زماني كه راننده مي‌خواهد مخزن سوخت خود را پر كند مي‌توان كل كپسول را خالي كرد و آن را از پودر تازه پر ساخت.
نتيجه عمل موتوري خواهد بود مشابه موتورهاي كنوني اما در نتيجه كار كردن آن هيچ يك از مواد آلوده‌سازي كه موتورهاي كنوني توليد مي‌كنند بوجود نمي‌اورد.
البته هنوز براي آنكه بتوان از سوخت جديد و موتورهاي مناسب آن بهره گرفت بايد كارهاي زيادي در خصوص رابطه ميان دما، سرعت احتراق و كاركرد موتور به انجام رساند.
خودرويي كه با اين نوع سوخت كار مي‌كند بايد هم رانندگان را راضي كند و هم طرفداران محيط زيست را راضي نگاه دارد.
البته هنوز جنبه‌هاي منفي مهمي وجود دارد كه بايد بر آنها غلبه شود.
يك مشكل اصلي مساله وزن است. بنا به اظهار نيتن گلاسگو از موسسه مشاوره راكي مانتين هرچند آهن در قياس با هيدرووژن سوخت فشرده‌اي به شمار مي‌آيد اما بسيار سنگين است و هرچند يازده انرژي آن براي يك باك پر دوبرابر بنزين است اما وزن اين باك نيز دو برابر وزن باكي خواهد بود كه پر از بنزين باشد و با توجه به آنكه سوخت مصرف شده در درون خود اتومبيل نگاهداري مي‌شود اين وزن اضافي در جريان سفر از بين نمي‌رود.
به اعتقاد ديويد كيث فيزيكدان از دانشگاه گلگري در آلبرتا جنبه‌هاي علمي طرح جديد دقيق و قابل قبول است اما مساله وزن، براي اين نوع سوخت مشكل افزا خواهد بود.
به گفته اين فيزيكدان سوخت هيدروژني، در صورتي كه بتوان بر مشكلات آن فائق آمد- بهترين سوخت محسوب مي‌شود زيرا در هر كيلوگرم ۱۲برابر آهن انرژي در خود ذخيره مي‌كند.
اما بيچ با اين استدلالها موافق نيست. به اعتقاد او سوخت آهن مطمئن تر ، ايمن تر، راحت تر و سهل الاستفاده تر از سوخت هيدروژني است.
مهندسان هنوز براي جا دادن هيدروژن در محفظه‌هاي مناسب براي حمل در خودروها با مشكلات زياد روبرو هستند در حاليكه سوخت فلزي از هم اكنون قابل استفاده است.
از اين گذشته سوخت هيدروژني با يك مشكل جدي روبروست: در استفاده از سوخت هيدروژني، محصولي كه از احتراق به دست مي‌آيد آب است و اين آب در محيط آزاد مي‌شود. اما بسياري از كارشناسان محيط زيست معتقدند در صورت رواج يافتن اتومبيلهاي هيدروژني ميزان ابي كه از طريق آنها وارد جو زمين خواهد شد آنقدر زياد خواهد بود كه شرايط آب و هوايي كره زمين را كاملا دگرگون خواهد كرد.
در برابر بازيافت فلز از اكسيد فلز نيز به آب نياز دارد اما اين عمل بازيافت در مراكزي كه در نظير پمپ بنزينهاي كنوني در كنار جاده‌ها برپا مي‌شوند صورت مي‌گيرد و مي‌توان در آنها آب حاصل از عمل را جمع آوري و از ورود آن به جو جلوگيري كرد و حتي اين امكان وجود دارد كه با استفاده از عمل الكتروليز دوباره ان را به صورت هيدروژن و اكسيژن درآورد.
حتي مي‌توان به كلي از استفاده از هيدروژن در بازيافت فلز دست برداشت به اين شرط كه بتوان عمل جداسازي و مجزا كردن كربن را تحقق بخشيد و در اين صورت مي‌توان از مونو اكسيد كربن براي بازيافت فلز استفاده كرد.
در جريان عمل اكسيد كربن توليد مي‌شود. مونو اكسيد كربن يكي از محصولات فرعي گازي كردن زغال است. اين فناوري درآينده نزديك به منظور كاستن از آلودگي هوا در بسياري از كشورها از جمله چين به كار گرفته خواهد شد.
از اين مونو اكسيد توليد شده در فعاليت گازي كردن زغال مي‌توان براي بازيافت فلز استفاده به عمل آورد و به اين ترتيب به يك كرشمه چند كار را به انجام رساند.
البته شرط استفاده جنانكه گفته شد آن است كه بتوان چاره‌اي براي دي اكسيد كربن توليد شده پيدا كرد.
بيچ در مورد مساله وزن معتقد است مي‌توان به جاي آهن از ذرات آلومينيوم در مقياس نانو استفاده كرد و اين ذرات در هر كيلو گرم وزن تقريبا به همان اندازه آهن انرژي آزاد مي‌كنند.
اگر از ذرات بورون استفاده شود كه در هر كيلوگرم وزن شش برابر آهن انرژي به دست مي‌آيد.
اما از آنجا كه اين دو فلز از آهن گرانترند قيمت سوخت توليد شده به وسيله آنها نيز گرانتر خواهد بود. به عنوان مثال بهاي آلومينيوم ۱۵ برابر بهاي آهن است.
با اين حال محققان آزمايشگاه ملي اوك بريج هنوز در آغاز راهند و در حال حاضر در صدد تكميل نخستين نمونه عملي موتوري هستند كه با سوخت فلزي كار مي‌كند اين امر به نيت برآورد هزينه‌هاي واقعي اين محصول است.
اين پژوهشگران همچنين در نظر دارند با انجام سلسله‌اي از آزمايشها اندازه بهينه ذرات نانو را كه براي پودر شدن و استفاده به سوخت مناسبند مشخص سازند. زمينه‌هاي ديگر از جمله بهترين شيوه بسته‌بندي و انبار كردن سوخت و تزريق آن به موتور نيز نيازمند بررسيهاي دقيق تر است.
اما نتيجه اين بررسيهاي هرچه باشد گروه پژوهشگران اوك ريج امكان تازه‌اي را در عرصه پاسخگويي به نياز به سوخت براي موتورهاي صنعتي مطرح ساخته‌اند كه براحتي نمي‌توان از كنار آن گذر كرد و آن را ناديده گرفت.
گزارش خطا
ارسال به دوستان
نسخه چاپی
ذخیره عضویت در خبرنامه 
پربحث ترین عناوین
پرطرفدار ترین عناوین
لینک های مفید