الفيزياء والحياة بقلم فريق المبدعون بالفيزياء

تقنية تستخدم الحرارة الناتجة من محرك السيارة لتوليد الكهرباء وتقليل استهلاك الوقود

ياغو وانج (Yaguo Wang  ) طالبة دكتوراه في كلية الهندسة الميكانيكية في جامعة برودو تستخدم الليزر في مركز النانوتكنولوجي لدراسة المولدات الكهروحرارية وذلك من خلال أجهزة تعمل على تجميع الحرارة الناتجة من عادم المحرك لتوليد الكهرباء، والذي سوف يقلل استهلاك الوقود.

المركز العلمي للترجمة: يقوم باحثون بابتكار نظام يعمل على تجميع الحرارة المتولدة من عادم المحركات لتوليد الكهرباء والتقليل من استهلاك الوقود.

المشروع ممول بمبلغ  1.4    $ مليون، كمنحة لمدة ثلاث سنوات من المؤسسة الوطنية للعلوم وقسم الطاقة في الولايات المتحدة الامريكية. يقول بروفيسور الهندسة الميكانيكية والكهربية والكمبيوتر في جامعة برودو أن هناك تعاون بين فريق جامعة برودو وجنيرال موتور لتطوير مولدات كهروحرارية جديدة (thermoelectric generators TEGs    ). هذه المولدات الكهروحرارية تولد تيار كهربي يستخدم لشحن البطاريات وامداد النظام الكهربي بالسيارة بالطاقة مما يقلل الحمل على المحركات ويحسن من استهلاك الوقود.

يقول البروفيسور Xu النموذج المصنع سوف يثبت في نظام العادم خلف محول التحفيز، وسيعمل على تجميع الحرارة من الغازات الناتجة التي تصل حرارتها إلى 700 درجة مئوية.

التقنية الكهروحرارية المتوافرة حاليا لا تتحمل درجات الحرارة داخل محولات التحفيز حيث تكون درجة حرارة الغازات ما يقارب 1000 درجة مئوية. اضاف البروفيسور Xu قائلا ان الباحثين يعملون على دراسة مواد كهروحرارية جديدة قادرة على تحمل درجات الحرارة العالية وهذه الخطوة سوف تمكن من توفير كبير للوقود.

بدأ المشروع في شهر يناير 2010. النموذج الاولي يهدف إلى تقليل استهلاك الوقود بنسبة تصل إلى 5%، في حين أن الانظمة المستقبلية القادرة على العمل في درجات حرارة عالية سوف تجعل من الممكن تقليل استهلاك الوقود بنسبة تصل إلى 10%.

توضع المواد الكهروحرارية في رقاقات chips ذات مساحة صغيرة لا تتجاوز بضع انشات مربعة مصممة بشكل مناسب لتثبيتها في داخل النظام.

وقد تم تحسينها بحيث تعمل بشكل افضل عند درجات حرارة مختلفة والتي ستنخفض نتيجة لانسياب الغاز خلال النظام الكهروحراري كما يقول البروفيسور Xu.

يعكف الباحثون على التغلب على المشاكل المتعلقة بتحسين الكفاءة والمتانة باستخدام خليط من المواد المعقدة التي تتمدد بشكل مختلف عند تسخينها و باستخلاص اكبر قدرممكن من الحرارة من الغازات العادمة.

المواد الكهروحرارية تولد الكهرباء عندما يكون هناك اختلاف في درجات الحرارة.

تكون المواد الكهروحرارية ساخنة جدا من الجهة المواجه للغازات العادمة وباردة على الجانب الاخر حيث يجب المحافظة على هذا الفرق في درجات الحرارة لاستمرار توليد التيار الكهربي.

الهدف الاساسي لهذا المشروع هو تطوير مواد ذات توصيل حراري منخفض جدا.

يقول البروفيسور Xu اننا لا نريد ان تنتقل الحرارة بسرعة من الجانب الساخن إلى الجانب البارد على الرقاقة نحن نريد ان نحافظ على بقاء فرق درجات الحرارة للحصول على تيار كهربي متواصل.

باحثون في جنيرال موتور يستخدمون مواد كهروحرارية تعرف باسم skutterudite وهي خليط مصنوع من الكوبلت والارسنيد والنيكل أو الحديد.

التحدي الاكبر في تصميم النظام هو ايجاد افضل الشروط لاستخلاص أكبر قدر ممكن من الحرارة الناتجة من العادم ويقول البروفيسور Xu ان عادم المحرك يجب ان يعطي اكبر قدر ممكن من الحرارة لهذه المواد.

العناصر الارضية النادرة مثل الانيثيوم والسيزيوم والنيوبيديوم والاريبيوم تقلل توصيل الحرارة في مركب skutterudite. هذه العناصر تخلط مع skutterudite داخل فرن حراري. ولان استخدام عناصر ارضية نادرة نقية مكلف جدا، فان الباحثين يعملون ايضا على استبدال هذه العناصر بسبائك تعرف باسم mischmetals.

هذا العمل مبني على مشروع سابق تم من خلاله التعاون بين جامعة برودي و مركز العلوم الوطني ووكالة الدفاع للمشاريع البحثية المتقدمة ومكتب القوات الجوية للأبحاث العمية ومركز التكنولوجيا في جامعة رولز رويز

أساسيات المشروع بالإضافة الى جميع المواد المتعلقة بالمشروع و اللازمة للتدريس أو للبحوث العلمية سوف تكون متوافرة من خلال مواقع الانترنت عند بالبحث عن nanoHUB او thermalHUB. هذا البحث سوف يزود الطلبة في مرحلة البكالوريوس وما بعدها بالتدريب الكافي في مجال هندسة المواد وتكسبهم الخبرة الصناعية من خلال المشاركة في المشروع.

التقنيات الكهروحرارية ايضا يمكن ان تستخدم في تطبيقات اخرى مثل الاستفادة من حرق النفايات وتحويل الحرارة إلى كهرباء للمنازل والمحطات الكهربية وفي انواع اخرى من الخلايا الشمسية وثلاجات الحالة الصلبة تبعا لما صرح به البروفيسور Xu. 

المصدر منتدى الفيزياء التعليمي