انقلابی در موتورهای درون‌سوز با شمع‌های لیزری

در کنفرانس امسال CLEO که اول تا 6 می در بالتیمور برگزار ‌شد، متخصصان ژاپنی اولین سیستم لیزری چندپرتویی که به قدر کافی کوچک است تا به سر سیلندر موتور ماشین پیچ شود را تشریح کردند.

به گفته تاکانوری تایرا از انستیتو ملی علوم طبیعی، این سیستم لیزری جدید از سرامیک ساخته شده و می‌توان آن را به تعداد زیاد و قیمت ارزان تولید کرد. شمع‌های فعلی اتومبیل، یکی از موانع بهینه‌سازی مصرف سوخت و کاهش انتشار اکسیدهای نیتروژن است.شمع آتشزنه موتور با ارسال یک جرقه ولتاژ بالای کوچک در فضای بین 2 الکترود فلزی کار می‌کند. این جرقه باعث مشتعل‌شدن مخلوط هوا و سوخت داخل سیلندر و تولید انفجار کنترل‌شده‌ای می‌شود که بیستون را به ته‌سیلندر حرکت می‌دهد. با این عمل قدرت لازم برای حرکت اتومبیل تولید می‌شود.اکسید نیتروژن یکی از فرآورده‌های جنبی ناشی از احتراق است. چنانچه موتورها هوای بیشتری نسبت به سوخت بسوزانند، میزان اکسید نیتروژن تولید شده به شکل قابل توجهی کاهش می‌یابد.با افزایش انرژی شمع‌ها می‌توان مخلوط سوخت کمتری برای احتراق استفاده کرد؛ اما متاسفانه ولتاژ بالای لازم جهت افزایش انرژی شمع باعث فرسوده‌شدن سریع آن می‌شود و به لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه نیست. در مقابل لیزرها که مخلوط هوا ـ سوخت را با انرژی نوری متمرکز منتقل می‌کنند، هیچ الکترودی نداشته و بنابراین از فرسوده‌شدن مصون می‌مانند.

همچنین لیزرها کارایی را افزایش می‌دهند. شمع‌های کنونی دقیقا بالای سیلندر نصب شده و تنها مخلوط هوا ـ سوخت نزدیک به آنها را منتقل می‌کنند. بعلاوه فلزات نسبتا سرد مجاور الکترودها و دیواره سیلندر گرمای ناشی از احتراق را جذب کرده و باعث فروکش‌کردن شعله به محض افزایش حجم می‌شوند.لیزرها می‌توانند پرتوهایشان را مستقیما در مرکز مخلوط هوا ـ سوخت متمرکز کرده و بدون فرونشاندن شعله آن را متقارن ساخته و سرعت ایجاد احتراق در آنها 3 برابر شمع‌های معمولی است.در مقایسه با شمع‌های معمولی که بر حسب میلی‌ثانیه انرژی خود را تزریق می‌کنند، لیزرها بر حسب نانوثانیه انرژی خود را تزریق می‌کنند. احتراق سریع‌تر بسیار مهم است. هرچه زمان احتراق کوتاه‌تر شود، احتراق کاراتر بوده و از لحاظ مصرف سوخت اقتصادی‌تر است.

البته ساخت لیزرهایی با این قدرت و اندازه کوچک سخت به نظر می‌رسد. برای احتراق مورد نظر لیزر با نور را با شدت حدود 100 گیگاوات بر سانتی‌متر مربع با پالس‌های کوتاه 100 میلی‌ژول متمرکز کند. یک موتور اتومبیل تجاری اکنون به پالس‌های 60 هرتزی نیاز دارد.

محققان با ساخت لیزر پرتودوبل (لیزر با 2 پرتو) عمل احتراق را با پالس 100هرتزی آزمایش کرده‌اند. محققان به دنبال ساخت لیزری با 3 پرتو هستند تا عمل احتراق سریع‌تر و یکنواخت‌تر انجام شود. اگرچه سیستم احتراق لیزری هنوز روی اتومبیل‌های ساخته شده توسط کارخانجات خودروسازی آزمایش نشده، اما امید زیادی به تولید آن می‌رود.

هم‌اکنون محققان با کارخانه بزرگ DENSO تولیدکننده شمع‌های اتومبیل و عضوی از گروه خودروسازی تویوتا کار می‌کنند.