مبادئ المحركات الحرارية

وتستغل المحركات الحرارية ظاهرة وصفت الرياضيات لأول مرة في القرن التاسع عشر ولكنها لم تتحقق إلا عمليا في النصف الثاني من القرن العشرين، وعندما يتم إنشاء طبقة حرارة على مجموعة كثيفة من اللوحات الموازية أو المواد الخلاعية ( " الغاز المطبق " أو " المولد " ) التي تُزرع في نطاق من الغازات المفقودة، يمكن أن تولد الأوعية الصوتية بصورة غير مباشرة.

وتوجد تشكيلتان أوليتان: محركات الموجات الثابتة والموجات المتحركة - محركات الموجات الدائمة أبسط، معتمدة على أنبوب واحد به كومة واحدة قرب نهاية واحدة - وتستعمل تصميمات الموجات السياحية، مثل محرك ثابت الحرارة، حلقة تفاعلية لخلق تدفق مستمر، وتحقيق كفاءة أعلى عن طريق تضييق دورة المحركات الحرارية التي تتطلب محركاً مثالياً.

مقارنة مع تكنولوجيات التبريد التقليدية

إن نظم التعبئة التقليدية - المحركات الحرق الداخلي، والتركيبات الغازية، ومحركات الصواريخ - عن حق - على الاحتراق المباشر للوقود الأحفوري لتوليد الضغط والحرارة - وهذه النظم تنطوي على غرف الاحتراق ذات الحرارة العالية، وقطارات الصمامات المعقدة، وأجهزة التحلل الدوارة، ونظم التبريد المعوقة، التي تعاني جميعها من الإجهاد الحراري، والاختلاف في السمنة.

وتتوقف مقارنات الكفاءة على ظروف التشغيل، إذ تحقق محركات الاحتراق الداخلي الحديثة مستويات من الكفاءة الحرارية تبلغ ذروتها نحو 40 إلى 45 في المائة، بينما يمكن أن تصل محركات الديزل البحرية الكبيرة إلى 50 في المائة، وقد أظهرت المحركات الحرارية كفاءة تتجاوز 30 في المائة في النماذج الأولية للمختبرات، وقد اقتربت مصممات أجهزة الاحتراق الحرارية المتحركة من 40 في المائة تقريباً مع أجهزة الضبط الضوئية ومبادلات الحرارية.

أهم الملاءمات في التجزئة

انخفاض التعقيد الميكانيكي

مع وجود أجزاء قليلة أو لا تتحرك في القسم الساخن، تزيل المحركات الحرارية أنماط الفشل المشتركة للمحركات التقليدية: الصمامات الملصقة، وملابس الخواتم، والضغط على الدهون، وجهاز التربين، وهذا يترجم إلى فترات صيانة أطول وإلى قدر أكبر من الموثوقية في التطبيقات غير المأهولة أو البعيدة مثل المسبار الفضائية، والأصناف المغمورة في أعماق البحار، أو محطات الطاقة القطبية.

مرونة الوقود والفوائد البيئية

ونظراً لأن التدفئة تأتي من مصدر خارجي، فإن المحرك مُفصل عن عملية احتراق الوقود، ويمكن أن يعمل على الحرارة الشمسية، والطاقة الحرارية الأرضية، والحرارة المركزة للنفايات من الأفران الصناعية، بل وحتى المولدات الحرارية للنظائر المشعة، وعندما يُستخدم الاحتراق، يمكن أن تُفضَّل غرفة الاحتراق بشكل منفصل عن الانبعاثات المنخفضة، باستخدام حروق الفول، أو أكسيد الكربون.

العملية الهادئة

وتولد التذبذبات الصوتية صوتاً في تردد واحد أو مجموعة ضيقة يمكن أن تُغَطَّر بسهولة أو حتى تُسْخر، خلافاً للضوضاء الواسع النطاق الذي يُحدث محركات متبادلة أو توربينات عالية السرعة، فإن المحركات الحرارية هي في جوهرها أكثر هدوءاً، وميزة رئيسية بالنسبة للغواصات، أو مراوح المركبات الكهربائية، أو توليد الطاقة الحضرية.

القابلية للتسويق والوحدة

إن فيزياء مقاييس الحرارة تتسع بشكل أفضل على مجموعة واسعة من الأحجام، ويمكن أن تنتج الأجهزة الصغيرة واطقات من الطاقة للالكترونيات المحمولة، بينما تُتوخى تركيبات متعددة الميغاوات لتوليد الكهرباء على نطاق واسع، ويمكن ترتيب وحدات متعددة في صفائف دون تزامن معقد، نظراً لأن الانقلاب الصوتي يعرقلها تدريجياً.

تطبيقات ناشئة في نظم التبشير

التكاثر الفضائي

ويعتمد الدفع التقليدي للمركبات الفضائية على الصواريخ الكيميائية أو محركات الأيوني، التي لها دفعات محددة عالية ولكنها تتطلب صهاريج دفع ثقيلة، ويمكن إدماج المحركات الحرارية في محركات النظائر المشعة أو الطاقة الشمسية المركزة لتوليد مستويات دفع صغيرة لعمليات حفظ المحطة أو تعديل المدار أو عمليات الحرق بين الرحلات، مما يقلل من مخاطر الفشل بعد سنوات من بدء تشغيل مركز البحوث في المنطقة الساخنة.

الطيران

وفي الطائرات، يمكن للمحركات الحرارية أن تكون وحدات إضافية للطاقة أو كمزودة بمواد في هياكل الدفع الكهربي الكهربي الكهربي، وبحرق وقود الطائرات المستدام في محرقة خارجية، يقود المحركات الصوتية مولداً يكلف البطاريات أو السيارات الكهربائية، كما أن مستويات اليقظة المنخفضة والضوضاء جذابة لمركبات الحركة الجوية في المناطق الحضرية.

الرش البحري

فالسفن هي مرشحات رئيسية لأن الضوضاء تقل حدة، ويمكن استعادة حرارة النفايات من المحرك الرئيسي، ويمكن أن تؤدي دورة القاع الحراري إلى زيادة الكفاءة العامة بتحويل حرارة العادم إلى طاقة مساعدة للمضخات أو الالكترونيات أو حتى محرك الدفع إلى مساعدة للسرقة، وقدرة على حرق زيت الوقود الثقيل أو الغاز المميت أو الوقود الأحيائي في المستقبل دون تعديل المحرك الحراري نفسه، إلى تحويل الوقود إلى أنظمة صارمة.

النقل البري

وبالنسبة للشاحنات والقطارات والمركبات غير المتحركة، يمكن للمولدات الحرارية أن تحل محل المتناوبات التقليدية أو توفر قدرة مساعدة على التبريد والنظم الهيدروليكية ومراقبة المناخ في الكابينات، وفي القطارات الهجينة، يمكن للمحرك أن يدار في شكل حمولة متفاوتة دائمة بينما يتعامل مع ارتفاع الطلب على المركبات الكهربائية، ويخفض استهلاك الوقود والانبعاثات.

التحديات الحالية والتوجيهات البحثية

وعلى الرغم من الفوائد الجبارة، يجب التغلب على عدة عقبات تقنية قبل أن يصبح الدفع الحراري في مجرى النشاط الرئيسي.

الكثافة الكهربائية

إن كثافة الطاقة الصوتية للمحركات الحرارية الحالية أقل عموما من كثافة محركات الاحتراق الداخلي المجهزة على نحو مقارن، ويجب أن يُنقش الغاز العامل عبر مبادلات الحرارة في مناطق سطحية كبيرة، ويزيد من البصمة، ويستكشف الباحثون عملية ضغط عالية (حتى 100 بار) ويستخدمون مواد خفيفة الوزن مثل مركبات المصفوفة السيرامية لتعزيز القوة لكل وحدة من وحدات الكتلة.

تصميم مقسم حرارة

ويتوقف أداء محرك حراري على فعالية مبادلات الحرارة الساخنة والباردة، ويجب أن تنقل كميات كبيرة من الحرارة بأقل قدر من الضغط ومرض الحرارة، وتسمح تقنيات التصنيع المضافة المتقدمة الآن باختلاق هياكل مبطنة تعمل على تحسين نقل الحرارة مع الحد من الوزن، وقد نشر مختبر لوس ألاموس الوطني مبادئ توجيهية للتصميم من أجل مبادلات الحرارة المدمجة التي تعزز كفاءة المحرك بنسبة تتراوح بين 10 و15 في المائة.

المواد والتكاليف

ويجب أن يتحمل مبادلات الحرارة الساخنة والوجبات الخفيفة درجات الحرارة المرتفعة )نحو ٥٠٠-١٠٠٠ °س( والتدوير الحراري المتكرر، كما أن الفولاذ اللاصق غير الرخيص كاف لاسترداد حرارة النفايات المنخفضة الحرارة، ولكن التطبيقات الفضائية الجوية والفضاء تتطلب سبيكات أو خرافيات، مما يزيد من التكلفة، وتجرى البحوث في المحاور الرجعية وخدمة الخزف الحراري التي تمتد من نطاق الحياة.

الخسائر والعجز

:: الخسائر الصوتية في أنبوب أجهزة الترميم وتآكل الكفاءة في السفر - يمكن تصميم التجويفات التي تعمل بالموجات المتناهية الصغر مع شبكات التصدعات المنخفضة الصوتية، ولكنها حساسة لظروف التشغيل، وقد ثبت أن نظم المراقبة النشطة التي تستخدم أجهزة التكرير المزودة بالترددات الدقيقة والشحنات الصوتية المتغيرة للحفاظ على التذبذب المستقر عبر مجموعة واسعة من نواتج الطاقة.

الطريق إلى الأمام

وقد أحرز تقدم كبير منذ عام 2010 - قامت شركات مثل شركة " إيتاليم " (كندا) وشركة " سوندينيرج " (هولندا) بتسويق أجهزة إعادة تصميم الحرارة من أجل استعادة النفايات والتطبيقات الحرارية الشمسية، وتحقيق مستويات الطاقة في نطاق 1-10 كيلوواط، وقامت وزارة الطاقة بتمويل مشاريع متعددة السنوات لتطوير مولدات كهربائية حرارية - متعددة الأطقم في الطبقات

ومع تدني تكاليف التصنيع وتحسين الكفاءة، يمكن أن تظهر نظم الدفع الحراري الجاهزة في الإنتاج في المركبات الجوية غير المأهولة والسواتل الصغيرة في غضون خمس سنوات، مع تطبيقات بحرية وسكككية أكبر بعد عقد من الزمن، وسيعجل الاعتماد من التقدم المستمر في التصنيع المضاف، والمواد العالية الحرارة، والنمذجة الصوتية.

خاتمة

إن المحركات الحرارية توفر وسيلة مختلفة اختلافا جوهريا لتحويل الحرارة إلى عمل آلي، وهي وسيلة تعتمد على موجات الصوت بدلا من التناوب أو المعاملة بالمثل، حيث أن تبسيطها ومرونتها في الوقود وانخفاض الانبعاثات والهدوء يجعلها جذابة بشكل استثنائي بالنسبة لنظم الدفع في المستقبل عبر الفضاء والهواء والأراضي والبحر، وفي حين أن كثافة الطاقة الكهربائية وما زالت تشكل تحديات، فإن البحوث النشطة وتطوير المحركات الهندسية هي عوامل باطراد.