پروفسور میتسوهیسا ایچیاناگی و همکارانش از دانشگاه سوفیای ژاپن روشی را ابداع کرده اند که با آن می توان از آمونیاک به عنوان سوخت یگانه در خودروهای احتراقی استفاده کرد.
به گزارش تک‌ناک با محبوب‌تر شدن خودروهای برقی (EV)، برخی از محققان به دنبال روش‌های جایگزین برای تأمین انرژی حمل و نقل با استفاده از هیدروژن هستند، سوختی پاک و کارآمد که هنگام سوزاندن فقط آب تولید می‌کند. اما آمونیاک چگونه وارد این صحنه می‌شود؟
هیدروژن در زمینه ذخیره سازی و حمل و نقل با چالش‌هایی روبرو است، زیرا به فشار بالا و دمای پایین نیاز دارد. به همین دلیل است که برخی از کارشناسان آمونیاک، ترکیبی حاوی هیدروژن، را به عنوان راه حل بالقوه در نظر می‌گیرند.
یکی از محرک‌های اصلی انقلاب خودروهای برقی، باتری‌های لیتیوم یون است که چگالی انرژی بالا و عمر طولانی را ارائه می‌دهد. با این حال، لیتیوم یک منبع تجدیدپذیر نیست و تولید و استخراج آن تأثیرات زیست محیطی و اجتماعی دارد.
بر اساس گزارش آژانس بین المللی انرژی، انتظار می‌رود تقاضا برای لیتیوم تا دهه ۲۰۳۰ از ۲.۴ میلیون تن فراتر رود که افزایش قابل توجهی نسبت به ۱۳۰ هزار تن تولید شده در سال ۲۰۲۲ است. این امر می‌تواند منجر به کمبود احتمالی لیتیوم تا سال ۲۰۲۵ شود و نگرانی‌هایی را در مورد پایداری و به صرفه‌بودن خودروهای برقی ایجاد کند.
در چنین شرایطی، آمونیاک به عنوان یک سوخت پاک جایگزین و امیدوارکننده ظاهر می‌شود. آمونیاک ترکیبی است که از یک اتم نیتروژن و سه اتم هیدروژن تشکیل شده است. این ماده را می‌توان از منابع تجدیدپذیر مانند خورشید، باد یا نیروی برق آبی تولید کرد و می‌تواند هیدروژن را نسبت به هیدروژن خالص به طور مؤثرتر ذخیره و حمل کند. آمونیاک همچنین می‌تواند به عنوان سوخت برای سلول‌های سوختی یا موتورهای احتراقی استفاده شود و تنها نیتروژن و آب را به عنوان آلاینده تولید کند.
چگونه آمونیاک می‌تواند به عنوان سوخت در خودرو استفاده شود؟
خود آمونیاک به راحتی نمی‌سوزد و برای احتراق مناسب معمولا باید با بنزین مخلوط شود. اما اگر راهی برای استفاده از آمونیاک به عنوان تنها سوخت موتورها وجود داشته باشد چه؟ این سوالی است که پروفسور میتسوهیسا ایچیاناگی و همکارانش از دانشگاه سوفیا در ژاپن از سال ۲۰۱۹ سعی در پاسخ به آن داشته‌اند.
آنها در حال طراحی موتورهایی هستند که بتوانند بدون بنزین، فقط با آمونیاک خالص کار کنند. ایده اصلی آنها بهینه سازی شرایط باز شدن منیفولد هوا است که بر نحوه مخلوط شدن هوا و سوخت داخل سیلندر موتور تأثیر می‌گذارد.
مطالعه اخیر منتشر شده در مجله Energies یافته‌های آنها را در مورد اینکه چگونه باز شدن‌های مختلف منیفولد هوا می‌توانند الگوهای جریان چرخشی در سیلندر ایجاد کنند، راندمان احتراق را افزایش دهند و آلاینده‌ها را کاهش دهند، گزارش می‌کند.
جریان‌های چرخشی برای احتراق بهتر
جریان چرخشی اصطلاحی است که حرکت گرداب مانند مخلوط هوا و سوخت را در سیلندر موتور توصیف می‌کند. این حرکت به ایجاد مخلوطی یکنواخت‌تر و همگن‌تر کمک می‌کند که منجر به احتراق بهتر و آلایندگی کمتر می‌شود.
پژوهشگران برای مطالعه اثر جریان چرخشی از یک موتور دیزل تک سیلندر نوری با سیلندر و پیستون شیشه‌ای استفاده کردند. آنها همچنین از دو نوع درگاه ورودی هوا استفاده کردند: مماس و مارپیچی.
پژوهشگران برای ثبت حرکت ذرات ریز سیلیس که در طول زمان مکش به هوا اضافه کرده بودند، از یک دوربین پرسرعت استفاده کردند. آنها دریافتند که درگاه مارپیچی از همان ابتدا جریان چرخشی ایجاد می‌کند، در حالی که درگاه مماس این کار را نمی‌کند. با این حال، هنگامی که هوا به دیواره‌های سیلندر برخورد کرد و جهت خود را تغییر داد، درگاه مماس نیز چرخشی شد.
پژوهشگران با ترکیبات مختلف باز شدن درگاه ورودی هوا را آزمایش کردند، به این صورت که درگاه مارپیچی را کاملاً باز نگه داشتند و درگاه مماس را از ۰ درصد تا ۱۰۰ درصد تغییر دادند.
هنگامی که آنها درگاه مماس را بیش از ۲۵ درصد باز کردند، تشکیل جریان چرخشی را در مرحله اولیه مرحله تراکم مشاهده کردند. علاوه بر این، آنها دریافتند که تشکیل جریان چرخشی با تغییرات کمتر انرژی جنبشی آشفته و موقعیت مرکز چرخش همراه است. این یافته نشان‌دهنده الگوهای جریان پایدارتر و سازگارتر است.
نتایج و کارهای آینده
پژوهشگران بر این باورند که نتایج آنها می‌تواند احتراق آمونیاک در موتورها را بهبود بخشد که می‌تواند زمینه‌ای را برای یک سیستم حمل‌ونقل پاک‌تر و پایدارتر فراهم کند. آنها قصد دارند تحقیقات خود را با آزمایش ویژگی‌های احتراق مخلوط‌های آمونیاک-بنزین یا آمونیاک خالص موتور ادامه دهند.
پروفسور ایچییانگی می‌گوید: «اگرچه قبل از اینکه وسایل نقلیه با سوخت آمونیاک به واقعیت تبدیل شوند، چالش‌هایی وجود دارد، اما این تحقیق نویدبخش دستیابی به اهداف کاهش کربن فعلی و آینده است. انتظار می‌رود توسعه وسایل نقلیه با موتور آمونیاکی نه تنها باعث کاهش انتشار گاز دی‌اکسید کربن از موتورها شود، بلکه به تحقق جامعه انرژی هیدروژن نیز کمک کند.»
