[ad_1]
نوشته و ویرایش شده توسط مجله ی جزر و مد
مهندسان نوعی پیل سوختی طراحی کرده‌اند که بیشتر از سه برابرِ باتری‌های لیتیوم-یونی، انرژی به‌ازای هر کیلوگرم فراهم می‌کند. این دستگاه که از عکس العمل بین فلز سدیم و هوا نیرو می‌گیرد، می‌تواند به‌اندازه‌ای سبک باشد که برق‌رسانی به هواپیماها، کامیون‌ها یا کشتی‌ها را مقدور سازد.
باتری‌ها در اغاز رسیدن به محدودیت‌های خود از نظر مقدار انرژی قابل‌ذخیره به‌ازای وزن می باشند. این نوشته مانعی جدی برای نوآوری در حوزه انرژی و یافتن راه حلهای تازه برای فراهم نیروی هواپیماها، قطارها و کشتی‌ها به حساب می اید.
اکنون، پژوهشگرانی در «MIT» و مؤسسات دیگر، راه‌حلی اراعه کرده‌اند که می‌تواند به برقی‌سازی این سامانه‌های حمل‌ونقلی پشتیبانی کند.
در این مفهوم تازه، به‌جای باتری از نوعی پیل سوختی منفعت گیری شده است – که از نظر کارکرد همانند باتری است؛ اما به‌جای شارژ مجدد، می‌توان آن را به‌شدت سوخت‌گیری مجدد کرد.
در این مورد، سوخت مورداستفاده فلز سدیم مایع است که ماده‌ای ارزان‌قیمت و به‌وفور در دسترس به حساب می اید. سمت دیگر پیل، هوا است که به‌گفتن منبع اتم‌های اکسیژن عمل می‌کند.
بین این دو، لایه‌ای از ماده سرامیکی جامد به‌گفتن الکترولیت قرار دارد که امکان عبور آزادانه یون‌های سدیم را فراهم می‌سازد و یک الکترود متخلخل رو به هوا نیز عکس العمل شیمیایی بین سدیم و اکسیژن را تسهیل کرده و برق تشکیل می‌کند.
در مجموعه‌ای از آزمایش‌ها با یک نمونه اولیه از این دستگاه، پژوهشگران نشان دادند که این پیل می‌تواند بیشتر از سه برابر انرژی زیاد تری به‌ازای هر واحد وزن نسبت به باتری‌های لیتیوم-یون که امروزه در تقریباً همه خودروهای برقی منفعت گیری خواهد شد – ذخیره کند.
«چیانگ» استاد سرامیک مؤسسه «Kyocera» می‌گوید:
«ما انتظار داریم که مردم فکر کنند این ایده کاملاً دیوانه‌وار است، اگر این چنین فکر نکنند، مقداری نومید خواهم شد، چون اگر مردم در ابتدا چیزی را کاملاً غیرمنطقی ندانند، به گمان زیادً آن ایده انقلابی نخواهد می بود.»
او باور دارد که این فناوری واقعاً پتانسیل انقلابی بودن را دارد. به‌اختصاصی در صنعت هوانوردی، جایی که وزن نقش زیاد حیاتی دارد، این چنین بهبودی در چگالی انرژی می‌تواند همان نقطه عطفی باشد که در نهایت پرواز با نیروی برق را در مقیاسی قابل‌دقت عملی و ممکن می‌سازد.
«چیانگ» می‌گوید:
«اغاز‌ای که واقعاً برای هوانوردی الکتریکیِ عملیاتی نیاز دارید، نزدیک به ۱۰۰۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم است.»
باتری‌های لیتیوم-یونی امروزی که در خودروهای برقی منفعت گیری خواهد شد، در بهترین حالت نزدیک به ۳۰۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم انرژی ذخیره می‌کنند – که فاصله بسیاری با مقدار موردنیاز دارد. او می‌افزاید حتی اگر به ۱۰۰۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم هم برسیم، این مقدار برای پروازهای بین‌قاره‌ای یا عبور از اقیانوس اطلس کافی نخواهد می بود.
این مقدار هم چنان فراتر از توانایی هر ترکیب شیمیاییِ باتریِ شناخته‌شده‌ای است، اما «چیانگ» می‌گوید دستیابی به ۱۰۰۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم می‌تواند فناوری‌ای کلیدی برای هوانوردی الکتریکی منطقه‌ای باشد – بخشی که نزدیک به ۸۰ درصد پروازهای داخلی و ۳۰ درصد از انتشار کردن گازهای گلخانه‌ای صنعت هوانوردی را شامل می‌بشود.
این فناوری می‌تواند برای دیگر حوزه‌ها نیز نقش تسهیل‌گر داشته باشد، از جمله حمل‌ونقل دریایی و ریلی. او می‌گوید: «همه این‌ها به چگالی انرژی زیاد بالا نیاز دارند و درعین‌حال باید کم‌هزینه باشند و همین نیازها می بود که ما را به سمت فلز سدیم جذب کرد.»
طی سه دهه قبل پژوهش‌های گسترده‌ای برای گسترش باتری‌های لیتیوم-هوا یا سدیم-هوا انجام شده است، اما ساخت آن‌ها به‌طوری که کاملاً قابل‌شارژ مجدد باشند، چالش‌برانگیز بوده است. «چیانگ» می‌گوید:
«مردم زمان‌ها است از چگالی انرژی بالقوه باتری‌های فلز-هوا آگاه‌اند و این ویژگی زیاد دلنشین بوده است، اما تا بحال هیچ زمان به‌صورت عملی محقق نشده است.»
در این مطالعه با منفعت گیری از همان مفهوم پایه الکتروشیمیایی، ولی به‌جای باتری، پیل سوختی ساختند، پژوهشگران توانستند مزایای چگالی انرژی بالا را در قالبی عملی به دست آورند. بر خلاف باتری که مواد آن یک‌بار جمع‌آوری و در یک محفظه مهروموم می‌بشود، در پیل سوختی مواد حامل انرژی به‌صورت مداوم داخل و خارج خواهد شد.
تیم پژوهشی دو نسخه گوناگون از نمونه اولیه آزمایشگاهی این سیستم را تشکیل کرد. در نسخه‌ای که «پیل H» نام دارد، دو لوله شیشه‌ای عمودی با یک لوله متصل‌کننده در وسط به هم وصل شده‌اند؛ این لوله شامل یک ماده سرامیکی جامد به‌گفتن الکترولیت و یک الکترود متخلخل هوا است. فلز سدیم مایع، لوله یک طرف را پر می‌کند و هوا از سمت دیگر عبور می‌کند تا اکسیژن ملزوم برای عکس العمل الکتروشیمیایی در مرکز فراهم بشود که به‌مرور زمان سوخت سدیم را مصرف می‌کند.
نمونه اولیه دیگر طراحی افقی دارد، به‌طوری که یک سینی از ماده الکترولیت مایع سدیم را در خود جای‌داده است. الکترود متخلخل هوا که عکس العمل را تسهیل می‌کند، به کف این سینی متصل شده است.
«چیانگ» می‌گوید:
«آزمایش‌ها با منفعت گیری از جریان هوایی که سطح رطوبت آن به‌دقت کنترل شده می بود، در سطح یک «پشته» منفرد، مقدار انرژی بیشتر از ۱۵۰۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم را به دست داد که این مقدار در سطح کل سیستم به بیشتر از ۱۰۰۰ وات‌ساعت بر کیلوگرم ترجمه می‌بشود.»
پژوهشگران فکر می‌کنند که برای منفعت گیری از این سیستم در هواپیما، بسته‌های سوختی حاوی مجموعه‌ای از سلول‌ها، همانند قفسه‌های سینی‌های غذا در یک کافه‌تریا، در پیل‌های سوختی قرار داده شوند. فلز سدیم درون این بسته‌ها در میانه فراهم انرژی به‌صورت شیمیایی تبدیل می‌بشود. سپس جریان محصولات جانبی شیمیایی آن آزاد می‌بشود و در رابطه هواپیما، این جریان از تکه عقب هواپیما، شبیه خروجی دود موتور جت خارج می‌بشود.
اما یک تفاوت زیاد مهم وجود دارد: در این سیستم هیچ‌گونه انتشار کردن دی‌اکسیدکربن صورت نمی‌گیرد. در عوض، گازهای خروجی که شامل اکسید سدیم می باشند، در واقع دی‌اکسیدکربن حاضر در جو را جذب می‌کنند. این ترکیب به‌شدت با رطوبت هوا عکس العمل داده و هیدروکسید سدیم – ماده‌ای که طبق معمولً به‌گفتن پاک‌کننده لوله فاضلاب منفعت گیری می‌بشود – تشکیل می‌کند.
سپس هیدروکسید سدیم به‌راحتی با دی‌اکسیدکربن ترکیب شده و کربنات سدیم جامد را راه اندازی می‌دهد که در نهایت به بی‌کربنات سدیم، یا همان جوش‌شیرین، تبدیل می‌بشود.
«چیانگ» این چنین می‌افزاید:
«هنگامی با فلز سدیم اغاز می‌کنید، یک زنجیره طبیعی از عکس العمل‌ها به‌صورت خودبه‌خودی رخ می‌دهد؛ ما هیچ کاری ملزوم نیست انجام دهیم تا این فرایند اتفاق بیفتد، فقط کافی‌ست هواپیما را به پرواز درآوریم.»
به‌گفتن یک مزیت اضافه، اگر محصول نهایی یعنی بی‌کربنات سدیم داخل اقیانوس بشود، می‌تواند به افت اسیدیته آب پشتیبانی کند و یکی دیگر از اثرات مخرب گازهای گلخانه‌ای را خنثی سازد.
منفعت گیری از هیدروکسید سدیم برای جذب دی‌اکسیدکربن پیش‌تر به‌گفتن روشی برای افت انتشار کردن کربن نظر شده می بود، اما به‌تنهایی راه‌حلی اقتصادی محسوب نمی‌بشود، چون این ترکیب زیاد گران‌قیمت است. «اما در اینجا، این ماده یک محصول جانبی است»، «چیانگ» توضیح می‌دهد؛ به این علت در عمل رایگان است و بدون هزینه‌ی اضافی، مزایا زیست‌محیطی به همراه دارد.
«چیانگ» می‌گوید که به طور ذاتی، این پیل سوختی تازه ایمن‌تر از تعداد بسیاری از باتری‌های دیگر است. فلز سدیم زیاد عکس العمل‌پذیر است و باید به‌خوبی محافظت بشود. همانند باتری‌های لیتیومی، سدیم هم در صورت تماس با رطوبت می‌تواند به طور خودبه‌خودی مشتعل بشود.
«چیانگ» می‌گوید:
«هرگاه باتری با چگالی انرژی زیاد بالا داشته باشید، ایمنی همیشه یک نگرانی است؛ چون اگر غشایی که دو عکس العمل‌دهنده را از هم جدا می‌کند پاره بشود، امکان پذیر عکس العمل از کنترل خارج بشود.»
اما در این پیل سوختی، یک طرف فقط هوا است که رقیق و محدود است؛ به این علت دو عکس العمل‌دهنده‌ی متراکم کنار هم قرار ندارند. اگر جستوجو چگالی انرژی زیاد بالا هستید، به دلایل ایمنی بهتر است به‌جای باتری، از پیل سوختی منفعت گیری کنید.
اگرچه این دستگاه اکنون فقط به‌صورت یک نمونه اولیه‌ی کوچک و تک‌سلولی وجود دارد، اما چیانگ می‌گوید که این سیستم به‌راحتی قابل‌گسترش به اندازه‌های عملیاتی برای تجاری‌سازی است.
اعضای این تیم تحقیقاتی اکنون شرکتی به نام «Propel Aero» تأسیس کرده‌اند تا این فناوری را گسترش دهند. این شرکت هم‌اکنون در شتاب‌دهنده استارتاپی «MIT» به نام «The Engine» مستقر است.
تشکیل مقدار کافی فلز سدیم برای مقدور کردن اجرای گسترده و در مقیاس جهانی این فناوری باید عملی باشد، چون این ماده پیش‌تر در حجم بالا تشکیل شده است. وقتی که بنزین سرب‌دار رایج می بود و پیش از این که کنار گذاشته بشود، فلز سدیم برای تشکیل تترااتیل سرب که به‌گفتن افزودنی منفعت گیری می‌شد، به کار می‌رفت و در ایالات متحده با ظرفیت سالانه ۲۰۰,۰۰۰ تن تشکیل می‌شد. «چیانگ» می‌گوید:
«این نوشته به ما یادآوری می‌کند که فلز سدیم وقتی در مقیاس بزرگ تشکیل می‌شد و به طور ایمن در سراسر آمریکا مدیریت و توزیع می‌گردید.»
علاوه بر این، سدیم عمدتاً از سدیم کلرید (نمک طعام) به دست می‌آید، به این علت منبع آن زیاد، در سراسر جهان به طور گسترده توزیع‌شده و به‌راحتی قابل‌استخراج است – برخلاف لیتیوم و دیگر موادی که در باتری‌های خودروهای الکتریکی امروزی منفعت گیری خواهد شد. این ویژگی، سدیم را به گزینه‌ای زیاد مقرون‌به‌صرفه‌تر و پایدارتر برای تشکیل زیاد تبدیل می‌کند.
سیستمی که پژوهشگران در نظر دارند از کارتریج‌های قابل‌شارژ مجدد منفعت گیری می‌کند که با فلز سدیم مذاب پر و سپس مهروموم خواهد شد. هنگامی این کارتریج‌ها مصرف خواهد شد، به یک ایستگاه سوخت‌گیری بازگردانده شده و با سدیم تازه پر خواهد شد. از آنجا که نقطه ذوب سدیم ۹۸ درجه سلسیوس است – درست مقداری پایین‌تر از نقطه جوش آب – گرم‌کردن آن برای ذوب و شارژ مجدد کارتریج‌ها نسبتاً ساده و کم‌هزینه خواهد می بود. این طراحی، فرایند سوخت‌گیری را زیاد سریع تر و ساده‌تر از شارژ باتری‌های لیتیومی می‌سازد.
در مرحله ابتدایی، تیم تحقیقاتی تصمیم دارد یک سلول سوختی به اندازه یک آجر تشکیل کند که بتواند نزدیک به ۱۰۰۰ وات‌ساعت انرژی فراهم کند – مقداری که برای فراهم انرژی یک پهپاد بزرگ کافی است. مقصد از این کار، اثبات عملی‌بودن ایده در مقیاسی واقعی و کاربردی، همانند منفعت گیری در کشاورزی است. آن‌ها امیدوارند که تا یک سال آینده، این مثالی نمایشی آماده بشود.
«سوگانو» که قسمت عمده‌ای از کارهای تجربی این پروژه را به‌گفتن بخشی از رساله دکترای خود انجام داده و اکنون در استارتاپ مرتبط مشغول به کار است، می‌گوید یکی از بینش‌های کلیدی در این تحقیق، نقش رطوبت در فرایند الکتروشیمیایی بوده است.
او زمان آزمایش دستگاه با اکسیژن خالص و سپس با هوای معمولی دریافت که مقدار رطوبت هوا برای کارآمد بودن عکس العمل زیاد حیاتی است. در وجود رطوبت، محصولات تخلیه سدیم به‌جای این که به شکل جامد راه اندازی شوند، به‌صورت مایع شکل می‌گیرند. این نوشته علتمی‌بشود تخلیه و دفع این محصولات توسط جریان هوا به‌مراتب ساده‌تر انجام بشود.
او می‌گوید:
«مسئله‌ی کلیدی این می بود که بتوانیم این محصول تخلیه مایع را راه اندازی دهیم و به‌راحتی خارجش کنیم، درحالی‌که در شرایط خشک، این محصولات به‌صورت جامد شکل می‌گرفتند و دفع آن‌ها دشوارتر می بود.»
«گانتی-اگر‌وال» اشاره می‌کند که تیم تحقیقاتی از شاخه‌های متنوعی از مهندسی برای گسترش این فناوری منفعت گرفته است. به‌گفتن‌مثال، تحقیقات بسیاری روی سدیم در دماهای بالا انجام شده، اما هیچ‌یک از آن‌ها شامل سیستمی با رطوبت کنترل‌شده نبوده‌اند.
او می‌گوید:
«ما از پژوهش‌های مرتبط با پیل سوختی برای طراحی الکترود خود منفعت گرفتیم، از تحقیقات قدیمی‌تر روی باتری‌های دمای بالا الهام گرفتیم، و این چنین از مطالعات نوظهور در عرصه باتری‌های سدیم – هوا منفعت گیری کردیم – و در نهایت همه این‌ها را با هم ترکیب کردیم.»
این رویکرد ترکیبی تبدیل افزایش دیدنی کارکرد دستگاه شده است؛ موضوعی که به حرف های‌ی او، کلید پیروزی آن‌ها بوده است.
یافته‌های آن‌ها در نشریه Joule انتشار شده است.
دسته بندی مطالب
[ad_2]
منبع
Comments are closed.