CPH Theory نظریه سی پی اچ

هيدروژن فراوان ترين عنصر طبيعت محسوب مي شود بنابراين دانشمندان در تلاش اند تا راهي بيابند كه بتوان از هيدروژن به عنوان سوخت در خودروها استفاده كرد.

دكتر توني فيليپس و استيو پرايس
ترجمه: سليمان فرهاديان
آزمايشات انجام گرفته در ايستگاه فضايي بين المللي مي تواند حركت به سوي اقتصاد مبتني بر هيدروژن را تسريع كند. تصور كنيد براي سوخت گيري خودروتان به سمت جايگاه سوخت رساني حركت مي كنيد، دهانه لوله سوخت رساني را وارد مخزن سوخت خودرو مي كنيد، اما سوختي كه مصرف مي كنيد، از نوع سوخت هاي متداول نيست بلكه هيدروژن است. هيدروژن گازي بي رنگ و بي بو است كه از سوختن آن فقط بخار آب حاصل مي شود كه سريع و بدون هيچ خطري توسط محيط اطراف جذب مي شود. يك كيلوگرم از هيدروژن تقريباً سه برابر همين ميزان بنزين انرژي آزاد مي كند

و اين در حالي است كه هيدروژن فراوان ترين عنصر طبيعت محسوب مي شود! پس جاي تعجب نيست كه چرا دانشمندان در تلاش اند تا راهي بيابند كه بتوان از هيدروژن به عنوان سوخت در خودروها استفاده كنند. ال ساكو مدير مركز توليد مواد پيشرفته تحت جاذبه ضعيف (CAMMP) در دانشگاه نورسسترون بوستون كه زير نظر ناسا مشغول فعاليت است در اين زمينه مي گويد: «ده ها شركت از جمله بزرگ ترين شركت هاي سازنده خودرو، موتورهايي را طراحي كرده اند كه از هيدروژن به عنوان سوخت استفاده مي كند. اين موتورها بسيار شبيه به موتورهاي احتراق داخلي هستند كه ما امروزه به طور گسترده اي از آنها استفاده مي كنيم. سلول هاي سوختي - يكي ديگر از منابع ممكن براي توليد نيرو در خودروها - نيز از هيدروژن استفاده مي كنند. براي آنكه استفاده از اين فناوري ها در زندگي روزمره ممكن شود، لازم است دانشمندان راهي براي ذخيره سازي و انتقال ايمن هيدروژن بيابند كه از لحاظ هزينه به صرفه بوده و با هزينه هاي استفاده از بنزين قابل مقايسه باشد.»
اما انجام اين كار چندان هم آسان نيست. گاز هيدروژن سبك و فرار است. مولكول هاي كوچك H2 از طريق روزنه ها و شكاف ها و همچنين از طريق بست ها و شيرها بسيار سريع نشت مي كنند و هنگامي كه از اين طريق خارج شدند خيلي زود تبخير مي شوند. هيدروژن چهار برابر سريع تر از متان و ده برابر سريع تر از بخارهاي بنزين نفوذ مي كند. اين مسئله در مورد حفظ ايمني دستگاه از اهميت بسيار زيادي برخوردار است چرا كه قطرات هيدروژن بسيار سريع تبخير شده و در محيط پراكنده مي شوند و مي توانند ايمني سيستم را به خطر اندازند. اين مسئله مي تواند براي هر كسي كه مي خواهد گاز هيدروژن را ذخيره كند، دردسرساز شود. هر چند كه هيدروژن مايع بسيار متراكم است و ذخيره سازي آن آسان به نظر مي رسد، اما در عين حال ذخيره كردن آن مي تواند مشكلاتي را نيز به همراه داشته باشد. هيدروژن حدوداً در دماي ۲۰ درجه كلوين (۲۵۳ درجه سانتي گراد) مايع مي شود. نگهداري از يك مخزن پر از هيدروژن مايع نيازمند استفاده از يك سيستم خنك كننده جانبي سنگين است، فعلاً استفاده از اين سيستم ها در خودروهاي مسافربري معمولي مقدور نيست. هيدروژن مايع چنان سرد است كه حتي مي تواند باعث منجمد شدن هوا نيز شود
اين امر مي تواند به مسدود شدن شيرها و اتصالات منجر شود كه افزايش ناخواسته فشار را به همراه دارد. البته ممكن است گفته شود براي مقابله با انجماد هوا از سيستم هاي عايق كاري استفاده شود، اما اين كار نيز مشكلاتي را در پي دارد كه از جمله آنها مي توان به افزايش وزن سيستم ذخيره سازي سوخت اشاره كرد. با اين تفاسير چگونه مي توان بر مشكلات پيش رو غلبه كرد؟ ساده است: چند قطعه سنگ را در داخل مخزن سوخت قرا دهيد.
البته در اين مورد نمي توان از سنگ هاي معمولي استفاده كرد بلكه بايد از سنگ هاي ويژه اي كه زئوليت (Zeolite) نام دارند استفاده كرد. ساكو در تشريح خواص اين سنگ ها مي گويد: «زئوليت ها موادي از جنس سنگ هستندكه بسيار متخلخلند و به همين دليل مي توانند به عنوان اسفنج هاي مولكولي عمل كنند. زئوليت ها در شكل كريستالي خود به صورت شبكه گسترده اي از حفره ها و شكاف هاي به هم پيوسته در نظر گرفته مي شوند كه بسيار شبيه كندوي زنبور عسل است. يك مخزن سوخت كه در ساختار آن از اين موارد كريستالي استفاده شده است، مي تواند گاز هيدروژن را «در حالت شبه مايع و بدون نياز به سيستم هاي خنك كننده سنگين» به دام انداخته و در خود ذخيره كند. ساكو و همكارانش در نظر دارند، با استفاده از كمك هاي برنامه توسعه توليدات فضايي ناسا كه در مركز پروازهاي فضايي مارشال مستقر است، ايده استفاده از زئوليت ها در مخزن سوخت را عملي سازند. نام زئوليت از كلمات يوناني «Zeo » به معناي جوشيدن و «lithos » به معناي جوشيدن مشتق شده است و معناي تحت اللفظي آن «سنگي كه مي جوشد» است. اين نام را به اين دليل به اين سنگ ها اطلاق مي كنند كه هنگامي كه تحت تاثير حرارت قرار مي گيرند، محتويات خود را خارج مي كنند. ساكو طرز كار مخزن هاي سوخت زئوليت دار كه در دما كنترل مي شود را اين گونه شرح مي دهد: «در ابتدا بايد مقداري يون هاي با بار منفي را به اين زئوليت ها بيافزاييم. اين يون ها مثل تشتك عمل مي كنند، درست مثل درپوش دوات؛ و بدين ترتيب حفره هاي موجود در شبكه كريستالي را مسدود مي كنند. مي توان با حرارت دادن زئوليت به ميزان بسيار جزيي يون ها را از مقابل اين حفره ها به كناري راند. مي توان زئوليت ها را از هيدروژن انباشته كرد و سپس دماي آن را به حالت عادي برگرداند، با اين كار يون ها به جاي قبلي خود برمي گردند و مانع خروج محتويات حفره ها مي شوند.»
حدود ۵۰ نوع زئوليت مختلف با تركيب شيميايي و ساختار كريستالي متفاوت در طبيعت يافت مي شود، گذشته از اين شيميدان ها روش ساخت مصنوعي تعداد ديگري از آنها را دريافته اند.
كساني كه گربه دارند ممكن است با اين مواد آشنايي داشته باشند. چرا كه از اين مواد به عنوان بوگير در بستر حيوان استفاده مي شود. ساكو خاطرنشان مي سازد: «با استفاده از زئوليت هاي موجود مي توان مقدار كمي از هيدروژن را ذخيره كرد، اما اين مقدار كافي نيست.» پس چه مقدار هيدروژن كافي است؟
تصور كنيد ديواره مخزن سوخت خودروي شما توسط سنگ هاي متخلخل و كريستالي پوشيده شده است و اين سنگ ها حدود ۴۰ كيلوگرم وزن دارد. به جايگاه سوخت گيري مراجعه مي كنيد و متصدي جايگاه حدود ۵/۳ كيلوگرم هيدروژن را به مخزن پوشيده از زئوليت خودروي شما تزريق مي كند.از لحاظ نظري اين مقدار هيدروژن، هم از لحاظ وزني و هم از لحاظ مقدار انرژي ذخيره شده در آن برابر مخزني پر از بنزين است. ساكو خاطر نشان مي سازد: «اگر بتوان كريستال هايي از زئوليت توليد كرد كه بتواند حدود ۶ تا ۶ درصد از وزن خود را، هيدروژن ذخيره كند، آن وقت يك مخزن زئوليتي پر از هيدروژن مي تواند با يك مخزن معمولي پر از بنزين رقابت كند.» با اين همه بهترين زئوليت هاي موجود مي توانند فقط ۲ تا ۳ درصد از وزن خود را هيدروژن ذخيره كنند. در سال ۱۹۹۵ ساكو به عنوان يكي از متخصصين يك ماموريت به وسيله شاتل فضايي، كلمبيا (sts-۷۳) به فضا مسافرت كرد. هدف وي از اين ماموريت اين بود كه بتواند زئوليت هايي با كيفيت بهتر را در فضا توليد كند. «در محيطهاي با گرانش كم، مواد با سرعت بسيار كمتري گرد هم مجتمع مي شوند و اين اثر باعث مي شود كه كريستال هاي زئوليت به وجود آمده هم بزرگ تر باشند و هم از نظم بيشتري برخوردار شوند.»
كريستال هاي زئوليت توليد شده در زمين بسيار كوچك هستند و ضخامت آنها در حدود ۲ تا ۸ ميكرون است. اين مقدار حدود يك دهم ضخامت موي انسان است. اما كريستال هايي را كه ساكو توانست در فضا تهيه كند هم ده مرتبه بزرگ تر بودند و هم ساختار داخلي مناسب تري داشتند و اين شروع مسرت بخشي بود.
ساكو مي گويد: «مراحل بعدي كار را بايد در ايستگاه فضايي بين المللي انجام داد.» ساكو و همكارانش يك كوره توليد كريستال هاي زئوليت ساخته اند، كه در ابتداي سال ۲۰۰۲ در ايستگاه فضايي بين المللي نصب شده است. كن بوور ساكس فرمانده يكي از ماموريت هاي ايستگاه فضايي بين المللي از اين كوره براي توليد چند نمونه از كريستال ها استفاده كرده است. كن در حين كار مجبور بود بعضي از مشكلات غيرمنتظره به وجود آمده هنگام اختلاط محلول هاي به كار رفته در رشد كريستال ها را حل كند - اين امر ارزش حضور انسان در هنگام آزمايشات فضايي را نشان مي دهد - اما از آن پس آزمايشات مربوط به اين گونه كريستال ها با سرعت كمتري به پيش مي رود. ساكو مي گويد در مرحله بعد بايد كريستال هاي توليد شده در فضا را به زمين منتقل كرد و آزمايشات مربوطه را روي آنها انجام داد. البته وي خاطرنشان مي سازد كه هدف آنها توليد انبوه كريستال هاي زئوليت در فضا نيست، چرا كه اين كار - حداقل فعلاً - مقرون به صرفه نيست. وي مي گويد ما فقط مي خواهيم دريابيم آيا مي توان زئوليت هايي را ساخت كه بتوانند هفت درصد از وزن خود را هيدروژن ذخيره كنند يا خير؟ اگر بتوان اين كار را در فضا انجام داد، آن وقت مي توان با اتخاذ تدابير ويژه اي دريافت كه چگونه همين فرآيند را در زمين به گونه مشابهي انجام داد.
در تمام طول دوره انجام اين تحقيقات ساكو در فكر تغيير مصرف سوخت و تحول جهاني از سوخت هاي فسيلي به سمت سوخت هيدروژني بود. اين ايده رويايي بزرگ است اما مي توان به آن دست يافت. زئوليت ها مي توانند به عنوان نكته كليدي براي استفاده از سوخت هيدروژن و رد شدن از سد مشكلات فناوري محسوب شوند. به زودي اين ايده فراگير خواهد شد، آن وقت احتمالاً كسي از شما خواهد پرسيد... «آيا در اين نزديكي جايگاه سوخت هيدروژن وجود دارد؟»
FirstS Science