به گزارش تجارت نیوز، یکی از چالش‌های اصلی در موتورهای احتراق داخلی که در خودروها، هلیکوپترها و هواپیماهای بدون سرنشین (UAV) استفاده می‌شوند، بازدهی پایین آن‌ها و هدررفت عظیم انرژی است. مطالعات نشان می‌دهند که این موتورها تنها ۲۵ درصد بازدهی دارند و حدود ۷۵ درصد از انرژی سوخت مصرفی به جای تبدیل شدن به نیروی محرکه، به صورت گرما هدر می‌رود. این موضوع نه تنها موجب اتلاف منابع سوخت‌های فسیلی می‌شود، بلکه آلودگی محیط زیست و افزایش گازهای گلخانه‌ای را نیز در پی دارد.
در شرایطی که جهان با بحران انرژی و تغییرات اقلیمی مواجه است، محققان به دنبال راهکارهایی برای بازیابی انرژی هدررفته و افزایش بهره‌وری موتورهای احتراقی هستند. در همین راستا، تیمی از دانشمندان دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا موفق به توسعه یک ژنراتور ترموالکتریک فشرده شده‌اند که می‌تواند گرمای خروجی از اگزوز خودروها، هلیکوپترها و پهپادها را به برق قابل استفاده تبدیل کند.
فناوری جدید آمریکا می‌تواند تحولی بزرگ در صنعت حمل‌ونقل ایجاد کند و تأثیر چشمگیری بر کاهش مصرف سوخت، افزایش بهره‌وری انرژی و کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای داشته باشد.
فناوری ژنراتور ترموالکتریک: چگونه گرما به برق تبدیل می‌شود؟
ژنراتورهای ترموالکتریک (TEG) بر اساس اختلاف دمای بین دو سطح یک ماده خاص، گرما را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. این فرآیند از طریق اثر سیبک (Seebeck Effect) انجام می‌شود، که در آن حرکت الکترون‌ها در مواد نیمه‌هادی به تولید برق منجر می‌شود.
هر چه اختلاف دمای بین دو سطح بیشتر باشد، میزان انرژی تولیدی افزایش خواهد یافت.
این فناوری مدت‌هاست که مورد مطالعه قرار گرفته، اما چالش‌های متعددی باعث شده است که استفاده از آن در مقیاس صنعتی دشوار باشد. مهم‌ترین این چالش‌ها شامل نیاز به سیستم‌های خنک‌کننده پیچیده، هزینه‌های بالا و کارایی پایین ژنراتورهای ترموالکتریک سنتی است.
نوآوری جدید محققان پنسیلوانیا در حل چالش‌ها
حذف سیستم‌های خنک‌کننده آبی: در بسیاری از ژنراتورهای ترموالکتریک، برای حفظ اختلاف دما نیاز به یک سیستم خنک‌کننده مبتنی بر آب وجود دارد که نه تنها فضای زیادی اشغال می‌کند، بلکه وزن و هزینه‌های عملیاتی را نیز افزایش می‌دهد. در این فناوری جدید، محققان به جای سیستم‌های خنک‌کننده آبی، از “مبدل‌های حرارتی” مشابه آنچه در سیستم‌های تهویه مطبوع استفاده می‌شود، بهره برده‌اند.
استفاده از مواد نیمه‌هادی کارآمدتر: در این ژنراتور، از ماده نیمه‌هادی “بیسموت-تلوراید” استفاده شده است که به طور ویژه برای تبدیل گرما به برق طراحی شده است.
افزودن “هیت سینک” برای بهبود عملکرد: یکی از نوآوری‌های کلیدی در این فناوری، استفاده از هیت سینک (Heat Sink) برای افزایش اختلاف دمای سیستم است. این کار باعث می‌شود که خروجی برق ژنراتور به طور قابل‌توجهی افزایش یابد.
عملکرد فناوری جدید آمریکا در وسایل نقلیه مختلف
نمونه اولیه این ژنراتور ترموالکتریک توانسته است تا ۴۰ وات برق تولید کند که این مقدار برای روشن کردن یک لامپ کافی است. اما نکته جالب اینجاست که در شرایط واقعی، میزان برق تولیدی این سیستم می‌تواند بیشتر از این مقدار باشد.
در خودروهای سواری: خروجی ژنراتور حدود ۵۶ وات تخمین زده شده است، که می‌تواند برای تأمین انرژی برخی سیستم‌های الکتریکی خودرو مورد استفاده قرار گیرد.
در هلیکوپترها: به دلیل جریان هوای قوی‌تر و دمای بالاتر اگزوز، ژنراتور می‌تواند تا ۱۴۶ وات برق تولید کند که این میزان انرژی معادل توان ۱۲ باتری لیتیوم-یونی است.
در پهپادها (UAVs): یکی از مهم‌ترین کاربردهای این فناوری در پهپادهای نظامی و غیرنظامی است، جایی که بازیابی انرژی از اگزوز می‌تواند به تأمین برق موردنیاز تجهیزات الکترونیکی کمک کند.
مزایای این فناوری در مقایسه با سیستم‌های سنتی
کاهش مصرف سوخت: با استفاده از برق تولید شده توسط این ژنراتور، برخی از سیستم‌های الکتریکی خودرو می‌توانند مستقیماً از انرژی بازیافتی تغذیه شوند، که این امر موجب کاهش مصرف سوخت می‌شود.
افزایش بهره‌وری انرژی: در حالی که در سیستم‌های معمولی انرژی گرمایی موتور کاملاً هدر می‌رود، در این فناوری بخش قابل توجهی از این انرژی بازیابی شده و به برق تبدیل می‌شود.
کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای: با کاهش مصرف سوخت، میزان تولید گازهای مضر مانند دی‌اکسید کربن (CO2) و اکسیدهای نیتروژن (NOx) نیز کاهش خواهد یافت.
امکان ارتقاء خودروهای موجود: برخلاف برخی فناوری‌های پیشرفته که فقط در خودروهای جدید قابل استفاده هستند، این سیستم می‌تواند روی خودروهای فعلی نیز نصب و استفاده شود.
فناوری جدید ژنراتور ترموالکتریک که توسط محققان دانشگاه ایالتی پنسیلوانیا توسعه یافته است، گام بزرگی در افزایش بهره‌وری انرژی وسایل نقلیه و کاهش هدررفت سوخت محسوب می‌شود.
این فناوری نه تنها به افزایش بازدهی خودروها و هواپیماها کمک می‌کند، بلکه می‌تواند در کاهش مصرف سوخت و آلودگی محیط زیست نیز نقش کلیدی ایفا کند.
به گزارش IE، با پیشرفت‌های بیشتر در این زمینه، می‌توان انتظار داشت که در آینده خودروها و وسایل نقلیه‌ای داشته باشیم که از انرژی سوختی خود حداکثر استفاده را کرده و میزان هدررفت انرژی را به حداقل برسانند.
همچنین، توسعه این فناوری می‌تواند در بخش‌های دیگر مانند نیروگاه‌های صنعتی، سیستم‌های گرمایشی و حتی تأسیسات فضایی نیز مورد استفاده قرار گیرد.
