فناوری جدید شمع، کلید تولید خودروهای فوق کم مصرف

فناوری جدید شمع، کلید تولید خودروهای فوق کم مصرف اکنون تقریبا یک میلیارد خودرو در جاده‌های دنیا موجود است و حدودا تمام آن‌ها از اشتعال داخلی و لنت ترمز معمولی انرژی می‌گیرند. این تکنولوژی ۱۵۰ ساله در قلب بیشتر شکل ها حمل‌و‌نقل از هواپیما گرفته تا قطار یا کشتی وجود دارد. اهمیت موتور به حدی است که نسل‌های گوناگونی از افراد زرنگ زندگی و سرمایه‌ی بسیاری را صرف بهتر کردن آن کرده‌اند. دراین صورت، موتور اشتعال داخلی عیب جدی دارد: سیاره‌ی ما را از بین می برد.

بیشتر موتورهای اشتعال سوخت‌های فسیلی را می‌سوزانند و در این پروسه گازهای گلخانه‌ای مثل کربن‌دی‌اکسید و نیتروژن اکسید تولید می‌کنند. در کشور آمریکا، با وجوداینکه سیاست‌های زیادی برای کم کردن اثرات محیط زیست ناشی‌از حمل‌و‌نقل مدلسازی شده است، این قسمت وظیفه حدودا یک سوم از نشر گازهای گلخانه‌ای است. موتور اشتعال داخلی اصولا تکنولوژی کثیفی است؛ اما راه های بسیاری برای تمیز کردن آن موجود است. این موتورها با یک جرقه و به گفته ای کاملتر به کمک شمع جرقه‌زن روشن می‌شوند.
دیوید هاول، مدیر دفتر فناوری وسایل نقلیه‌ی وزارت انرژی آمریکا است و زمان بسیاری است که درباره چگونگی تولید موتورهای برتر فکر می‌کند. امسال تقریبا ۷۰ میلیون دلار ( حدودا یک چهارم از بودجه سالانه‌ی دفترش) برای رونق و تحقیق درحوزه اشتعال و سوخت صرف خواهد شد. هاول می‌گوید: «ما درحوزه وسایل نقلیه برقی دارای باتری شاهد موفقیت های زیادی هستیم اما موتورهای اشتعال داخلی زمان بسیاری است به یک فرم باقی مانده‌اند.»

در موتورهای اشتعالی، رابطه محکمی بین بازده و مقدار نشر وجود دارد. موتور با بازده بالا از سوخت پایینتری برای انجام همان میزان کار استفاده می‌کند و سوخت پایینتر به معنی نشر گازهای گلخانه‌ای کمتر است. چندین سال است دفتر فناوری وسایل نقلیه روی جایگزینی بنزین معمولی با سوخت‌های زیستی هماهنگ با محیط زیست متمرکز شده است.به گفته هاول : «موتور اشتعال داخلی قادر است از مدلهای گوناگونی از سوخت‌ها استفاده کند و بعضی از آن‌ها تقریبا تجدیدپذیر هستند.»

اما نادیده گرفتن بنزین به این زودی اتفاق نمی‌افتد. سوخت‌های زیستی جدید علاوه براینکه باید کارکردی به‌خوبی کارکرد بنزین داشته باشند همینطور بایستی ارزان هم باشند. علی رقم این، روی بنزین‌ کارهای بسیاری انجام شده است. هاول می‌گوید: «یک قرن است که بنزین وجود دارد و ازلحاظ خصوصیات اشتعال آن‌ بهینه‌سازی‌های بسیاری انجام شده است.» پس تا وقتیکه سوخت‌های نوین برای استفاده‌ی عموم فراهم شود، کارشناسان پیگیر پیداکردن روش هایی برای مصرف بهتر از بنزین قدیمی و بیشتر در موتورهای امروزه هستند.

موتور خودروی معمولی هوا و گاز را در گنجینه اشتعال با هم ادغام می‌کند و بعد با استفاده از شمع این ترکیب را مشتعل می‌کند. این تکنولوژی که یک قرن عمر می کند، در گنجینه اشتعال قرار داشته و نزدیک بالای موتور در سر سیلندر تعبیه شده است. زمانی پیستون به طرف بالای گنجینه حرکت می‌کند، ترکیب سوخت و هوا را انبوه می‌کند و شمع جرقه‌ی الکتریکی پرسرعتی را ایجاد می‌کند. درنهایت اصابت شدید مولکول‌ها، گرما ایجاد شده و گازهای گلخانه‌ای را ایجاد می‌کند که از اگزوز خودرو بیرون می آید.
از راه‌های کاهش پخش آن است که هوای بیشتری را زمان اشتعال با سوخت ترکیب کرد؛ منظور از «سوخت رقیق» استفاده کرد. ایده پیچیده ای است: ترکیب سوخت و هوا را با بکارگیری هوای بیشتر رقیق کنید؛ اما انجام این کار آسان نیست.

موتورهای اشتعالی در تناسب های بسیار مخصوصی از «سوخت به هوا» بهترین کارکرد را دارند. منحرف شدن از نسبت گفته شده می‌تواند به سرعت مبدل کاتالیزوری موتور (سیستمی که برای مبدل کردن گازهای مضری مثل نیتروژن اکسید به مواد بی‌خطرتر مدلسازی شده است) را بی استفاده کند. در نقطه‌ی مخصوصی، هوا به حدی زیاد است که موتور به هیچ وجه نمی‌تواند ترکیب سوخت و هوا را مشتعل کند.
ویلیام نورثروپ، ناظر آزمایشگاه موتور در دانشگاه مینه‌سوتا می‌گوید: «اگر بتوانید خیلی رقیق کار کنید، احتمالا از لحاظ بازده موتور به فواید حقیقی برسید. خودروسازان زمان زیادی است که تلاش می‌کنند موتورهای آن‌ها رقیق کار کند. ولی در نقطه‌ای به ناحیه ای اشتعال‌پذیری می‌رسید که وضعیتی است که ما آن را محدوده‌ی رقت می‌نامیم.»
موتوری که قادر است به ناحیه احتراق سوزی نزدیک شود و همانطور به اشتعال دست یابد، همان بحثی است که دیمیتریس آسانیس، کارشناس اشتعال پیشرفته دانشگاه استونی بروک آن را جام مقدس ترمودینامیکی می‌نامد. هوای کاذب موجود در ترکیب مثل یک گرماگیر کار می‌کند و کمی از انرژی رها شده حین اشتعال را جذب می‌کند. این کار باعث کم شدن دمای اشتعال می‌شود که برای تقویت عملکرد موتور و کم شدن انتشارات آن مهم است.
ولی در این جا مسئله ای وجود دارد. دان سینگلتون ناظر و هم پایه گذار کمپانی Transient Plasma Systems می‌گوید: «شما قادر نیستید این ترکیب های رقیق‌شده با هوا را با بکارگیری از شمع‌های جرقه‌زن معمولی روشن کنید. آن‌ها انرژی را خیلی کم انتقال می دهند.» هوای کاذب موجود در گنجینه، گرمای جرقه را پیش از اینکه بتواند به حد کافی پخش شود تا عکس العمل اشتعال را شروع کند، سرد می‌کند.

سینگلتون و همکارانش از سال ۲۰۰۹ درحال رونق سیستم‌های جرقه‌زنی هستند که بتواند این مسئله موتورهای رقیق‌سوز را درست کند. این امر با یونیزه‌کردن هوای اطراف الکترودهای شمع و ایجاد پالس‌های پلاسمایی انجام می‌شود. برای ساخت این پالس‌های پلاسمایی، بایستی چند مگاوات قدرت را در زمان فقط چند نانوثانیه آماده کرد. همچین توانی مساوی با رهاکردن توان ۶ کامیون در زمانی خیلی کمتر از ایجاد صاعقه است.

اشتعال ناشی از شمع سنتی (راست) درمقابل اشتعال ناشی از پلاسما (چپ)

دستگاه جرقه‌زن پلاسمایی سینگلتون از یک «پاور» ایجاد شده که مقداری شبیه روتر اینترنت است. این دستگاه به مجموعه‌ای از شمع‌های پلاسما در هر سر سیلندر موتور وصل است. پاور، انرژی را از باتری خودرو میگیرد و در خود جای میدهد و بعد آن را بواسطه شمع‌ها به طور انفجارهای خیلی پرسرعت از پلاسمای آبی رها می‌کند. این مدل کم انرژی و کم حرارت‌تری از سیستم‌های پرانرژی توان پالسی مثل تنفگ ریلی (ریلگان) و لیزرهایی است که فیزیکدان‌ها از آن‌ها برای شبیه‌سازی انفجارهای هسته‌ای استفاده می‌کنند.
فرق مهم بین شمع‌های پلاسمایی با شمع‌های جرقه‌ای معمولی آن است که با منتقل کردن گرما واکنش اشتعال را مشتعل نمی‌کند. درحقیقت، این شمع‌ها حتی انرژی گرمایی مناسب برای روشن کردن یک کبریت را ندارند. ولی به جاش، شمع پلاسمایی بطور مستقیم مولکول‌های هوا را با الکترون‌ها بمباران می‌کند تا آن‌ها را به عناصر واکنش‌پذیرتری مثل اکسیژن اتمی مبدل کند. تزریق سریع انرژی غیرحرارتی باعث می‌شود مولکول‌ها در ترکیب سوخت باشدت به هم اصابت کنند و این کار باعث شروع عکس العمل اشتعال می‌شود. اگر شمع جرقه‌ای معمولی مثل فندک باشد، شمع پلاسمایی معمولا مانند صاعقه است. وقتی بحث از موتورهای رقیق‌سوز می‌شود، بحث سرعت خیلی حائظ اهمیت تر می شود.

به گزارش ملت یدک 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.»
فکر بکارگیری از سیستم‌های توان پالسی کم‌انرژی برای دسترسی به اشتعال پرسرعت موضوع تازه ای نیست. مارتین گوندرسن، مشاور دکترای سینگلتون در دانشگاه کالیفرنیای جنوبی، از اوایل دهه‌ی ۱۹۹۰ روی این نوع سیستم‌های اشتعال کار می کرده است. اگرچه سیستم‌های احتراق پالسی اولیه‌ای که برای کاهش نشر کار می‌کردند، پرهزینه و عظیم بوده و امکان اطمینان زیادی نداشتند. وقتیکه سینگلتون مشغول تمام کردن دکترای خود بود، تکنولوژی های مورد احتیاج برای یک سیستم قسیت مناسب و قابل اعتماد به نقطه‌ای از تکامل رسیدند که به‌نظر می‌رسید بیرون از آزمایشگاه عملی باشند.