ماشین‌های ‌بخار دوباره رونق می‌گیرند

شاید برای شما هم عجیب باشد اگر بشنوید دانشمندان و محققان سراسر جهان پس از سال‌ها بررسی روی منابع انرژی متفاوت به این نتیجه رسیده‌اند که وسایل نقلیه آینده می‌توانند با بخار کار کنند.پرونده این هفته، گوشه‌ای از این ادعاست که در آن طی گزارشی شگفت‌انگیز و دقیق، رابین هاگی نشان می‌دهد مهندسان در قضیه بخار و استفاده از قدرتش کاملا جدی هستند. بنابراین عصر جدید بخار با فناوری‌های شگفتش فراروی ماست.

کد خبر: ۱۸۷۹۵۳

هیچ چیز خاص و فوق‌العاده‌ای در ماشین مسابقه‌ای که با سرعت 200 مایل بر ساعت، نمکزار‌های صاف و گسترده بن‌ویل را درمی‌نوردد، وجود ندارد. هرچه باشد، سرعتی معادل 200 مایل در ساعت (320کیلومتر/ ساعت) برای این بخش از شمال‌غرب ایالت یوتای ایالات متحده؛ جایی که صدها رکورد سرعت زمینی طی صد سال گذشته شکسته شده‌اند، قدری کسل‌کننده و معمولی است؛ اما در آگوست امسال شاهد خودروی نسبتا متفاوتی خواهیم بود که مثل برق این چشم‌انداز نمکی سفید و درخشان را درمی‌نوردد.

این ماشین که به الهام (Inspiration) مشهور است، ممکن است در ظاهر شبیه نمونه‌های مدل ماشین‌های سرعت باشد؛ یک گلوله آیرودینامیک در مسابقه‌های اتومبیلرانی کلاسیک سبز.

اما آنچه این خودرو را از بقیه جدا می‌کند، صدای قل‌قل نرم و خوشایند بخار آب است که از پشت پره‌هایش درمی‌آید، البته این صدای داغ کردن و جوش آوردن نیست؛ بلکه صدای کار کردن موتور به وسیله بخار است.

به این ترتیب بعید نیست نیروی بخار که تکیه‌گاه اصلی مهندسی سنت‌گراست، دستخوش رنسانسی باشد و تصورش به عنوان مفهومی کند، سنگین و فاقد کارآمدی از قدرت، با دیدگاه نیروی بخار برای قرن بیست و یکم بی‌مناسبت می‌نماید.

خودروی الهام توسط تیمی در (BSCC (British Steam Car Challenge ساخته شده و نه‌تنها به سرعتی معادل 320 کیلومتر در ساعت خواهد رسید؛ بلکه با انجام این کار، آلاینده‌های به مراتب کمتری تولید خواهد کرد؛ هرچند در وهله نخست، برای گرم کردن آب و تبدیل آن به بخار در این خودرو هم کربوهیدرات‌ها مورد نیاز هستند؛ اما این فناوری هم واجد کارایی و بازدهی و هم گواهی‌های معتبر سبز زیست‌محیطی است تا شروع‌کننده نوآوری‌ها و ابتکارات زیادی در اطراف و اکناف دنیا باشد که با نیروی بخار کار می‌کنند.

البته این ابزار تنها شگفتی نیروی بخار نیست؛ چراکه بزودی ما می‌توانیم شاهد اوج گرفتن و بالا رفتن کشتی‌های هوایی بر فراز شهر‌هایمان باشیم؛ در حالی که نانوموتور‌هایی که با نیروی بخار کار می‌کنند، در بیمارستان‌ها به خدمت گرفته می‌شوند و سفینه‌های فضایی که با نیروی بخار کار می‌کنند، رهسپار کهکشان‌های دوردست می‌شوند.

لین آنجل، مسوول هماهنگی تیم BSCC می‌گوید: «مهم نیست این فناوری چقدر قدیمی است، همیشه راه‌های جدید و بهتری وجود دارند تا موجب شوند فناوری قدیمی با شیوه‌ای جدید در خدمت بشریت باشد. این مایه بسی خوشبختی است که می‌توانیم بر نسل بعدی مهندسان و طراحان تاثیر بگذاریم تا رویکردی اکولوژیکی را برای حل مسائل و مشکلات به کار گیرند».

یک راه برای انجام این کار شکستن رکورد‌های دیرپای سرعت زمینی دنیاست. سریع‌ترین خودروی بخار در تاریخ، راکت برادران استنلی بود که با سرعت 204 کیلومتر در ساعت در دیتونا بیچ به اوج خود رسید؛ این موضوع به سال 1906 برمی‌گردد، یعنی زمانی که خودرو‌های بخار و بنزینی برای برتری و تفوق در بازار می‌جنگیدند؛ هرچند که ماشین برادران استنلی در آن روز این رکورد را برجای گذاشت، اما در نهایت این موتور‌های بنزینی بودند که در مقایسه از ویژگی‌های اقتصادی بیشتری بهره‌مند بودند و خودرو‌های بخار جزو گزینه‌های مجموعه‌داران قرار گرفتند.
اکنون بیش از یک قرن پس از آن که ماشین استنلی‌ها آن رکورد را بر جای گذاشت، تیم BSCC امیدوار است که ماشین طراحی شده‌اش الهام برتری خود را نشان خواهد داد. دکتر گلین بوشر، طراح مکانیک پروژه خودروی جت مافوق صوت (Trust SSC)، الهام را طراحی کرده و اندازه‌هایش عبارتند از 5/8 متر طول و 2 متر عرض که آن را به صورت یک خودروی رکوردزن سرعت زمینی نسبتا کوچک درآورده است (Trust SSC اندازه‌هایی تقریبا دو برابر داشت.)

یک توربین بخار به قدرت 360 اسب بخار و 12 مشعل گاز 250 کیلووات (معادل 1500 تا کتری برقی) نیروی الهام را تامین می‌کند.

بالا، بالا و دورتر

نیروی بخار به راه‌آهن و جاده‌ها محدود نمی‌شود و به جایی می‌رسد که پیش از آن تنها یک بار حضور داشته است. سال 1930 در کالیفرنیای آمریکا، مهندسین جورج و ویلیام بسلر موتور ماشین بخاری را روی یک هواپیمای دو باله سوار کردند. این پرواز تنها یک نمایش خطرناک بدل کاری با جار و جنجال بود؛ اما هواپیما به وضوح برخی قابلیت‌های غیرمعمول را نشان داد. این طیاره بخار چنان کم سر و صدا بود که خلبان توانست افراد روی زمین را صدا بزند. اخبار هوانوردی آن زمان از امکانات و قابلیت‌هایی همچون پیش رانش پر بود، ولی بسلر به هیچ وجه قصد توسعه بیشتر هواپیما را نداشت و سرانجام در سال 1937 به دولت ژاپن فروخته شد و دیگر خبری هم ازآن شنیده نشد.

اکنون پروژه جدیدی برای پرواز و به روشی متفاوت مورد توجه قرار گرفته است. پروژه‌ای که عنوان شگفت انگیز کتری پرنده را بر خود داشت، نخستین پرواز یک بالن بخار را در سال 2003 به انجام رسانید. بخار عملا گاز سبک تری از هوای گرم است. کتری پرنده نهایتا امیدوار است که یک کشتی هوایی بخار را جهت جابه‌جایی آگهی‌های تبلیغاتی در حد و قواره آسمان خراش‌ها خلق کند، یا برای فیلمبرداران هوایی مورد استفاده قرار گیرد.

البته این قضیه ممکن است ایده‌ای عجیب و غریب و پیش پا افتاده از بخار جلوه نماید، ولی می‌تواند بین بالن‌های هوای گرم که بی‌ثبات، بزرگ و کند پروازند از یک سو وکشتی‌های هوایی هلیومی که برای بهره‌برداری بسیار گران و پرهزینه‌اند ، چون باید برای مدت نامعلومی از گاز پر نگه داشته شوند، از سوی دیگر جایگاه سودمندی را اشغال کند.

توماس گودی از پروژه کتری پرنده توضیح می‌دهد که: «به تناسب توسعه و پیشرفت، یک کشتی هوایی بخار قادر خواهد بود از مبداء برسد، تخلیه شده و در وسیله نقلیه‌ای واحد بسته‌بندی شود. سپس می‌تواند با بخار حاصل از یک بویلر پرشده و به سمت مقصد هدف به حرکت درآید. چند ساعتی را در آنجا خواهد ماند و سپس به محل سایت پرتاب باز می‌گردد تا از نو تخلیه و بسته‌بندی شود».

هر چند به اعتقاد برخی محققان، نیروی بخار می‌تواند بسیار فراتر از ابرها نیز اوج گرفته و حتی از آن هم گذشته و از میان جو سیاره مان وارد فضا شود. شماری از سازمان‌ها از جمله شرکت بریتانیایی SSTL، در حال تحقیق و بررسی پیشرانه‌های (موتور‌های تغییر و کنترل جهت) بخاری هستند که به مانور ماهواره‌ها در مدار کمک خواهد کرد.SSTL قبلا یک بار آزمایش شده است و به صورت سالنی و در محل آزمایشگاه به مدت تنها 8 ماه بهبود و توسعه یافته است. شرکت این پروژه را روی ماهواره ‌ ‌ UK-DMC خودشان به معرض آزمایش گذاشته است. نحوه کار به این شکل است که آب تا 200 درجه سانتی‌گراد توسط یک المنت برقی حرارت داده شده و از میان یک نازل موشکی معمولی می‌گذرد.آدام بکر، مدیر توسعه بازرگانی شرکت می‌گوید:ما با کمک این پیشرانه بخار در صدد آن برآمده‌ایم که ببینیم با ایمن‌ترین ماده رانشی ممکن یعنی آب چه کاری می‌توانیم بکنیم. همچنین می‌خواهیم ببینیم بدون توسل به تکنیک‌های غیرمتعارف و فوق‌العاده، می‌توانیم تا چه اندازه سیستمی را کوچک بسازیم. بزرگ ترین چالش ما مطمئن شدن از آن بود که بخار آب داشته باشیم و مایعی نازل را ترک نکند. این پیشرانه کمتر از یک میلی نیوتن پیش رانش را تولید کرد، اما همین قدر نیز برای به کار انداختن ریز ماهواره‌هایی که مثل برق در مدار حرکت می‌کنند یا مرمت و اصلاح فضاپیما‌های بزرگ‌تر کافی است.

در درازمدت، پتانسیل برای مرز‌های بخار همچون عالم داستان‌های علمی ‌ تخیلی به نظر خواهد آمد. تحقیقاتی بر مبنای فضا پیما‌هایی با سوخت ضد ماده وجود دارند که از نیروی بخار برای رسیدن به مریخ به صورت تک مرحله‌ای استفاده می‌شود.

در این فاصله، از نیروی بخار بیشتر از هر چیزی در حمل و نقل و ترابری استفاده می‌شود.

در حالی که شاید نا محتمل به نظر برسد که ببینیم توده‌های کوچکی از بخار روی iPod‌ها یا گوشی‌های تلفن همراهمان ظاهر می‌شوند، ماشین لباسشویی‌های بخار برای فروش عرضه شده‌اند و شرکت آلمانی انجینیون امیدوار است تا پای بخار را به منازل باز کند. طرح شان در واقع ترکیب کردن حرارت و برق ساختمانی در یک یونیت واحد است، به طوری که سیستم حرارت مرکزی مقداری از برق شما را نیز تولید خواهد کرد. متخصصان فناوری نانو در آزمایشگاه‌های ملی سندیا در آلبوکرک ایالات متحده، حتی نوعی ابزار و وسایل پزشکی را ساخته‌اند که با استفاده از نیروی بخار کار می‌کند و اندازه‌ای معادل کمتر از یک بیستم مقطع یک موی انسان دارد. این ابزار پزشکی می‌تواند در زیر پوست وارد شود و گرداگرد بدن سفر کند و ترمیم‌هایی را به انجام رساند یا دارو‌هایی را توزیع و پخش کند.

مت کندی ‌ مدیر مهندسی پروژهBSCC

دلیل اصلی فعالیت شما در این پروژه چه‌بوده است ؟

ما با این پروژه خودروی بخار از پس چالش‌هایی برآمده‌ایم که پیش از آن هیچ‌کس کوششی در خصوص آن نکرده بود. در واقع ما در حال دست و پنجه نرم کردن با فناوری حاضر هستیم تا با این قضیه فراموش شده بخار و رکورد سرعت زمینی تجدید عهدی داشته باشیم و در عین‌حال به نحو امیدوارکننده‌ای الهام بخش و محرک جوانان بیشتری به سمت مهندسی باشیم.

چه کسی ماشین ساخته شما یعنی الهام را خواهد راند؟

چارلز بورنت سوم، راننده اصلی ما خواهد بود. وی یک علاقه‌مند دو آتشه و در عین‌حال سرشناس است که پیش از این کلکسیونی از رکورد‌های جهانی را کسب کرده است.

در مقایسه با یک خودروی سنتی چه تفاوت‌هایی وجود دارد که راننده باید مورد توجه قرار دهد؟

در واقع یک تاخیر‌ دو ثانیه‌ای در عکس‌العمل دریچه کنترل بخار وجود خواهد داشت. بنابراین زمانی که شما پایتان را روی پدال گاز می‌گذارید، ماشین فورا واکنش نشان نمی‌دهد. این مساله شبیه همان تاخیر تجربه شده با خودروهای توربوشارژ، ولی با مبالغه خیلی بیشتر است. نکته دیگر این است که راننده نیز نسبتا گرم خواهد شد.

فکر می‌کنید این فناوری چه تأثیر بلند مدتی خواهد داشت؟

بزرگ‌ترین ابتکار و نوآوری ما در ساخت چنین واحد‌های بویلر جمع و جور و فشرده بوده است. این کاری که ما روی بهبود بخشی و اصلاح مشعل‌ها و دیگ‌های بخار انجام داده‌ایم، ممکن است بخوبی به بهبود بخشیدن کارایی و بازده ماشین‌آلات مشابه نظیر دیگ‌های بخار ایستگاه‌های نیرو و مبدل‌های حرارتی کمک کند.

آیا ظرف 25 سال خودروی سنگین همچون ولوویی که با بخار کار کند به ظرفیت کامل خواهد رسید؟

احتمالا خیر، چون احتراق داخلی(درون‌سوزی) مزیت‌های بسیاری برای خودروها دارد و بخار به احتمال بیشتر در مورد کاربرد‌های ایستا و ثابت به کار گرفته می‌شود. یک کاربرد احتمالی آن، تولید نیروی متمرکز و محلی برای مناطق و نواحی شهری یا کشور‌های در حال توسعه خواهد بود.

مزایای زیست محیطی آن چیست؟

موتور‌های بخار می‌توانند با تنوع گسترده‌ای از سوخت‌های پایدار و تجدیدپذیر کار کنند، همچنین با داشتن فضایی اختصاص یافته برای احتراق، فرصتی راجهت کنترل شرایط و دستیابی به سوختنی پاک‌تر را فراهم می‌کنند. ما امیدواریم کارمان به واحد‌های ترکیبی نیرو و حرارتی جمع و جور و متراکم و پاکی منجر شود.

بعیدترین کاربردی که از نیروی بخار می‌توانیم شاهد باشیم، چیست؟

احتمالا تحقیق و پژوهش وارد مبحث پیشرانش فضایی بخار می‌شود. در دراز مدت، بخار می‌تواند به عنوان سیالی کارآمد برای موشک‌های حرارتی هسته‌ای مورد استفاده واقع شود.

ارزش زیست محیطی بخار

موتور‌های بخار شماری از مزایای زیست محیطی را ارائه می‌کنند و همین مزایای سبز هستند که در حال سوق دادن رنسانس حاضر در نیروی بخارند. در حالی که موتور‌های بخار کارایی انرژی کمتری از موتور‌های درون‌سوز دارند، روشی که سوخت را می‌سوزانند می‌تواند آنها را پاک‌تر نشان دهد.

در یک موتور درون‌سوز، سوخت و هوا در فشار و دمای بالا می‌سوزند و در نتیجه گاز‌های حاصل به پیستون فشار وارد می‌کنند. وضعیت داخل موتور غالبا به گونه‌ای است که احتراق کامل صورت نمی‌گیرد و موجب تقویت تشکیل دی‌اکسیدکربن و اکسید‌های نیتروژن می‌شود. در یک موتور بخار، عمل احتراق بیرون پیستون و در یک دیگ بخار صورت می‌گیرد و حرارت، آب را به بخار تبدیل می‌کند. احتراق تحت دما و فشار کمتری روی می‌دهد که به خروجی اگزوز پاک‌تری منجر می‌شود. از آنجا که سوخت به طور جداگانه می‌سوزد، موتور‌های بخار می‌توانند از پس طیفی از سوخت‌ها، خواه سوخت‌های زیستی یا سوخت‌های فسیلی از منابع محلی برآیند. وارنز پل جانستون از دانشگاه اکستر در این خصوص معتقد است: البته قضیه به همین سادگی نیست. احتراق برون سوز ممکن است خروجی اگزوز پاک‌تری را نشان دهد، اما اگر چنین ماشینی سوخت‌های فسیلی را بسوزاند، تنها نشانگر توسعه و بهبودی اندک و کم‌اهمیت است. سوخت‌های زیستی اساسا کمکی نمی‌کنند، زیرا نواحی بسیار زیادی از زمین به تولید سوخت نیاز دارند. آنچه ما واقعا نیاز داریم، اول از هر چیز تجدید نظر کردن و بازاندیشی در این است که چگونه کار کنیم، چگونه زندگی کنیم و چگونه سفر کنیم.

یک موتور بخار چگونه کار می‌کند؟

در همه موتور‌های بخار از گرما برای تبدیل آب به بخار در فشار بالا استفاده می‌شود. بخار حاصل نیز موتور را تامین می‌کند. موتور‌های بخار در دو خانواده اصلی قرار می‌گیرند: موتور‌های پیستونی و توربین‌ها.

در موتور‌های پیستونی، بخار به داخل سیلندر فرستاده می‌شود که در آنجا متسع شده و روی پیستون‌ها فشار می‌آورد. اغلب دوگانه عمل می‌کنند، یعنی بخار پس از عملکرد اول به انتهای دیگر سیلندر وارد می‌شود تا پیستون را دوباره به عقب براند. در یک توربین بخار، افشانه‌های بخار در میان تعداد زیادی از توربین‌های فن مانند متسع شده و با گردش پره‌ها نیرو تولید می‌شود.