تکنولوژی جدید شمع، کلید ساخت خودروهای فوق کم مصرف

امروزه چیزی حدود یک میلیارد خودرو در جاده‌های جهان وجود دارد و تقریبا همه‌ی آن‌ها از احتراق داخلی انرژی می‌گیرند. این فناوری ۱۵۰ ساله در قلب اکثر اشکال حمل‌و‌نقل از هواپیما گرفته تا قطار یا کشتی وجود دارد. اهمیت موتور چنان است که نسل‌های مختلفی از افراد باهوش زندگی و سرمایه‌ی زیادی را وقف بهتر کردن آن کرده‌اند. با‌این‌حال، موتور احتراق داخلی نقص مهمی دارد: سیاره‌ی ما را می‌کشد.

بیشتر موتورهای احتراق سوخت‌های فسیلی را می‌سوزانند و در این فرایند گازهای گلخانه‌ای نظیر کربن‌دی‌اکسید و نیتروژن اکسید تولید می‌کنند. در کشور آمریکا، با اینکه سیاست‌های متعددی برای محدود کردن اثرات زیست‌محیطی ناشی‌از حمل‌و‌نقل طراحی شده است، این بخش مسئول تقریبا یک سوم از انتشارات گازهای گلخانه‌ای است. موتور احتراق داخلی اساسا فناوری کثیفی است؛ اما روش‌های زیادی برای پاک‌تر کردن آن وجود دارد. این موتورها با یک جرقه و به‌عبارت دقیق‌تر به کمک شمع جرقه‌زن روشن می‌شوند.

دیوید هاول، مدیر دفتر فناوری وسایل نقلیه‌ی وزارت انرژی آمریکا است و مدت زمان زیادی است که درمورد نحوه‌ی ساخت موتورهای بهتر فکر می‌کند. امسال حدود ۷۰ میلیون دلار ( تقریبا یک چهارم از بودجه سالانه‌ی دفترش) صرف توسعه و تحقیق درزمینه‌ی احتراق و سوخت خواهد شد. هاول می‌گوید: «ما درزمینه‌ی وسایل نقلیه برقی دارای باتری شاهد پیشرفت‌های زیادی هستیم اما موتورهای احتراق داخلی مدت زمان زیادی است به یک شکل باقی مانده‌اند.»

در موتورهای احتراقی، ارتباط محکمی میان بازده و میزان انتشارات وجود دارد. موتور پربازده‌تر از سوخت کمتری برای انجام همان مقدار کار استفاده می‌کند و سوخت کمتر به‌معنای انتشار گازهای گلخانه‌ای کمتر است. سال‌ها است دفتر فناوری وسایل نقلیه روی جایگزینی بنزین معمولی با سوخت‌های زیستی سازگار با محیط‌زیست متمرکز شده است. هاول می‌گوید: «موتور احتراق داخلی می‌تواند از انواع مختلفی از سوخت‌ها استفاده کند و برخی از آن‌ها تاحدودی تجدیدپذیر هستند.»

موتور خودروی معمولی هوا و گاز را در محفظه‌ی احتراق با هم ترکیب می‌کند و سپس با استفاده از شمع این مخلوط را مشتعل می‌کند. این فناوری که یک قرن قدمت دارد، در محفظه‌ی احتراق قرار داشته و نزدیک بالای موتور در سر سیلندر نصب شده است. وقتی پیستون به سمت بالای محفظه‌ حرکت می‌کند، ترکیب سوخت و هوا را متراکم می‌کند و شمع جرقه‌ی الکتریکی سریعی را ایجاد می‌کند. درنتیجه‌ی برخورد شدید مولکول‌ها، گرما تولید شده و گازهای گلخانه‌ای را تولید می‌کند که از اگزوز خودرو خارج می‌شود.

یکی از راه‌های کاهش انتشارات آن است که هوای بیشتری را حین احتراق با سوخت مخلوط کرد؛ یعنی از «سوخت رقیق» استفاده کرد. ایده ساده است: مخلوط سوخت و هوا را با استفاده از هوای بیشتر رقیق کنید؛ اما انجام این کار ساده نیست.

موتورهای احتراقی در نسبت‌های بسیار خاصی از «سوخت به هوا» بهترین عملکرد را دارند. انحراف از نسبت مذکور می‌تواند سریعا مبدل کاتالیزوری موتور (سیستمی که برای تبدیل گازهای مضری نظیر نیتروژن اکسید به مواد بی‌خطرتر طراحی شده است) را ناکارآمد کند. در نقطه‌ی خاصی، هوا چنان زیاد است که موتور اصلا نمی‌تواند مخلوط سوخت و هوا را مشتعل کند.

ویلیام نورثروپ، مدیر آزمایشگاه موتور در دانشگاه مینه‌سوتا می‌گوید: «اگر بتوانید بسیار رقیق کار کنید، شاید ازنظر بازده موتور به مزایای واقعی برسید. خودروسازان مدت زمان زیادی است که سعی می‌کنند موتورهای آن‌ها رقیق کار کند. اما در نقطه‌ای به محدوده‌ی اشتعال‌پذیری می‌رسید که چیزی است که ما آن را محدوده‌ی رقت می‌نامیم.»

موتوری که می‌‌تواند به محدوده‌ی اشتعال‌پذیری نزدیک شود و همچنان به احتراق دست یابد، همان چیزی است که دیمیتریس آسانیس، کارشناس احتراق پیشرفته دانشگاه استونی بروک آن را جام مقدس ترمودینامیکی می‌نامد. هوای اضافی موجود در مخلوط همچون یک گرماگیر عمل می‌کند و مقداری از انرژی آزاد شده حین احتراق را جذب می‌کند. این امر موجب پایین آمدن دمای احتراق می‌شود که برای تقویت کارآیی موتور و کاهش انتشارات آن حیاتی است.

اما در این جا مشکلی وجود دارد. دان سینگلتون مدیرعامل و هم‌بنیانگذار شرکت Transient Plasma Systems می‌گوید: «شما نمی‌توانید این مخلوط‌های رقیق‌شده با هوا را با استفاده از شمع‌های جرقه‌زن معمولی روشن کنید. آن‌ها انرژی را بسیار آهسته منتقل می‌کنند.» هوای اضافی موجود در محفظه، گرمای جرقه را قبل از اینکه بتواند به اندازه‌ی کافی پخش شود تا واکنش احتراق را آغاز کند، خنک می‌کند.

سینگلتون و همکارانش از سال ۲۰۰۹ درحال توسعه‌ی سیستم‌های جرقه‌زنی هستند که بتواند این مشکل موتورهای رقیق‌سوز را حل کند. این کار با یونیزه‌کردن هوای اطراف الکترودهای شمع و ایجاد پالس‌های پلاسمایی انجام می‌شود. برای ایجاد این پالس‌های پلاسمایی، باید چندین مگاوات توان را در طول تنها چند نانوثانیه فراهم کرد. چنین توانی برابر با آزادکردن قدرت ۶ کامیون در زمانی بسیار کمتر از وقوع صاعقه است.

احتراق ناشی از شمع سنتی (راست) دربرابر احتراق ناشی از پلاسما (چپ)

سیستم جرقه‌زن پلاسمایی سینگلتون از یک «پاور» تشکیل شده که کمی شبیه روتر اینترنت است. این سیستم به مجموعه‌ای از شمع‌های پلاسما در هر سر سیلندر موتور متصل است. پاور، انرژی را از باتری خودرو دریافت و در خود ذخیره می‌کند و سپس آن را ازطریق شمع‌ها به شکل انفجارهای بسیار سریعی از پلاسمای آبی آزاد می‌کند. این نسخه‌ی کم انرژی و کم حرارت‌تری از سیستم‌های پرانرژی توان پالسی مانند تنفگ ریلی (ریلگان) و لیزرهایی است که فیزیکدان‌ها از آن‌ها برای شبیه‌سازی انفجارهای هسته‌ای استفاده می‌کنند.

تفاوت اصلی میان شمع‌های پلاسمایی با شمع‌های جرقه‌ای معمولی آن است که با انتقال گرما واکنش احتراق را مشتعل نمی‌کند. درواقع، این شمع‌ها حتی انرژی گرمایی کافی برای روشن کردن یک کبریت را ندارند. درعوض، شمع پلاسمایی مستقیما مولکول‌های هوا را با الکترون‌ها بمباران می‌کند تا آن‌ها را به عناصر واکنش‌پذیرتری مانند اکسیژن اتمی تبدیل کند. تزریق سریع انرژی غیرحرارتی موجب می‌شود مولکول‌ها در مخلوط سوخت به‌شدت به هم برخورد کنند و این امر موجب آغاز واکنش احتراق می‌شود. اگر شمع جرقه‌ای معمولی مانند فندک باشد، شمع پلاسمایی بیشتر شبیه صاعقه است. وقتی صحبت از موتورهای رقیق‌سوز می‌شود، سرعت اهمیت بسیار زیادی پیدا می‌کند.

جال گاندی که سرپرستی مرکز تحقیقات موتور را در دانشگاه ویسکانسین برعهده دارد می‌گوید: «ایده‌ی اصلی در موتور آن است که می‌خواهید همه چیز به‌طور هم‌زمان بسوزد. اگر بتوانید سوخت را درست در زمانی‌که پیستون در بالا یعنی نقطه‌ی مرگ قرار دارد، بسوزانید، بهترین بازده ممکن را به دست خواهید آورد. این رویداد احتراق چیزی است که ازنظر بازده اهمیت دارد.»

ایده‌ی استفاده از سیستم‌های توان پالسی کم‌انرژی برای دستیابی به احتراق سریع موضوع جدیدی نیست. مارتین گوندرسن، مشاور دکترای سینگلتون در دانشگاه کالیفرنیای جنوبی، از اوایل دهه‌ی ۱۹۹۰ درحال کار روی این نوع سیستم‌های اشتعال بوده است. البته سیستم‌های اشتعال پالسی اولیه‌ای که درجهت کاهش انتشارات کار می‌کردند، گران و بزرگ بوده و قابلیت اطمینان بالایی نداشتند. زمانی‌که سینگلتون درحال تمام کردن دکترای خود بود، فناوری‌های مورد نیاز برای یک سیستم مقرون‌به‌صرفه و قابل اعتماد به نقطه‌ای از بلوغ رسیدند که به‌نظر می‌رسید خارج از آزمایشگاه عملی باشند.

موفقیت کلیدی مربوط به ساخت کلیدهای (سوییچ‌های) ولتاژ بالای حالت جامد بود که در اوایل دهه‌ی ۲۰۰۰ معرفی شدند. به‌لطف پیشرفت‌های فناوری ساخت سوییچ، اکنون سیستم‌های پالسی پلاسمایی سینگلتون می‌توانند چندین مگاوات توان را طی چند نانوثانیه سوییچ کنند و صدهاهزار سیکل هم دوام بیاورند. سینگلتون در سال ۲۰۰۹ با همکاری گوندرسن و اندی کوتی و جیسون ساندرز شرکت Transient Plasma Systems را تأسیس کرد تا اشتعال پلاسمایی را تجاری‌سازی کند.

شرکت مذکور در آغاز روی توسعه‌ی سیستم هواپیمایی تمرکز داشت. موتورهای جت سهم عمده‌ای در انتشارات جهانی گازهای گلخانه‌ای دارند؛ اما مشخص بود خودرو‌ها هدف اصلی این فناوری هستند. اگر سینگلتون و تیمش بتوانند شرکت‌های خودروسازی را ترغیب کنند تا از شمع جرقه‌ای آن‌ها استفاده کند، به میزان قابل‌توجهی انتشارات ناشی از وسایل نقلیه کم خواهد شد.

ایساک اکوتو، پژوهشگر مرکز تحقیقات احتراق در آزمایشگاه‌های ملی سندیا در کالیفرنیا می‌گوید: «اگر می‌خواهید بدانید امروزه پژوهشگران موتور به چه چیزی نگاه می‌کنند، به چیزی نگاه کنید که پژوهشگران هوافضا دیروز به آن نگاه می‌کردند. بسیاری از این فناوری‌ها از آنجا منشا می‌گیرند.»

اکوتو و همکارش مگنوس شوبرگ تعدادی از آزمایشگاه‌های احتراق بنزین مرکز تحقیقات احتراق را هدایت می‌کنند و در سال ۲۰۱۴ اولین آزمایش‌های اصلی شرکت Transient Plasma Systems درمورد شمع پلاسمایی درون موتوری در آنجا انجام شد. آزمایشگاه‌های شوبرگ و اکوتو مجهز به موتور تک سیلندر سفارشی هستند که با این هدف طراحی شده است که به پژوهشگران اجازه دهد تا بتوانند محفظه‌ی احتراق را درجریان اشتعال با استفاده از دوربین‌های پرسرعت و لیزرهایی که دینامیک احتراق را اندازه‌گیری می‌کنند، مورد نظارت قرار دهند.

کارآیی موتور احتراقی عمیقا به نحوه‌ی استفاده از آن بستگی دارد. برای مثال، موتورها در سرعت‌هایی پایین و قدرت کم از کمترین بازده برخوردار هستند. این چیزی است که ممکن است با رانندگی در شهر در تقابل باشد. شوبرگ و گروه Transient Plasma سیستم جرقه‌زنی موتور را در انواعی از حالت‌های عملیاتی شبیه سناریوهای مختلفی مانند رانندگی در بزرگراه آزمایش کردند. نتیجه‌ی آزمایش‌ها نشان می‌داد نسبت‌به شمع جرقه‌زن سنتی، شمع مذکور می‌تواند کارآیی را تا ۲۰ درصد بهبود دهد.

سینگلتون می‌گوید نتایج حاصل از آزمایش‌های سندیا به‌زودی توجه صنعت خودروسازی را به خود جلب کرد. طی چند سال گذشته شرکت درحال کار با چندین خودروساز بوده است تا این سیستم را با موتورهای آن شرکت‌ها آزمایش کند. وی می‌گوید خوش‌بین است که اولین خودروهایی که از این سیستم استفاده می‌کنند، طی پنج سال آینده وارد جاده‌ها شوند.

اما موتورهای رقیق‌سوز ممکن است برای آغاز به کار لزوما به سیستم جرقه‌زنی پلاسما نیازی نداشته باشند و شرکت Transient Plasma Systems تنها شرکتی نیست که روی این موضوع کار می‌کند. آسانیس کارشناس احتراق استونی بروک می‌گوید: «همه در تلاش هستند تا محدوده‌ی اشتعال‌پذیری را گسترش دهند و موجب شوند مخلوط‌های رقیق‌تری مشتعل شوند.» برای مثال، پژوهشگران دانشگاه پردو درحال بررسی معماری موتورهایی هستند که از پیش‌محفظه‌هایی با نسبت معمول هوا به سوخت استفاده می‌کنند تا واکنش احتراق را راه‌اندازی کنند که سپس به محفظه‌ی احتراق اصلی می‌رسد که پر از سوخت رقیق‌شده با هوا است.

شرکت‌هایی نظیر مزدا به‌دنبال موتورهایی هستند که اصلا نیازی به شمع جرقه‌زن نداشته باشد. درعوض، موتور سوخت رقیق را متراکم می‌کند تا زمانی‌که خود به خود مشتعل شود. ازنظر بحث زیست‌محیطی، چگونگی دستیابی به احتراق سوخت رقیق اهمیت زیادی ندارد بلکه آنچه مهم است زمانی است که چنین فناوری بتواند به‌طور گسترده مورد استفاده قرار گیرد. در هر صورت، موتورهای احتراق داخلی حداقل تا چند دهه‌ی دیگر همچنان درکنار ما خواهند بود و برای کمک به حل مشکل تغییرات اقلیمی، به موتورهایی نیاز داریم که با مصرف سوخت کمتر، مسافت بیشتری را طی کنند.