صديق للبيئة وفعّال: كيف تُغيّر محركات ستيرلينغ الحرارية الصوتية مشهد الطيران والفضاء

قد تبدو محركات ستيرلينغ الحرارية الصوتية (TASE) معقدة لتستوعبها دفعة واحدة. لكن، من حيث المبدأ، هي نظائر صوتية لمحركات ستيرلينغ. لذلك، قبل الغوص أعمق في TASEs، يجب أن نبدأ بمحركات ستيرلينغ.

ما هو محرك ستيرلينغ؟

الاسم مأخوذ من مخترعه، القس روبرت ستيرلينغ، الذي ابتكر محرك حرارة خارجي يختلف تمامًا عن محركات الاحتراق الداخلي التقليدية المستخدمة في السيارات. يختلف في استخدام دورة التحريك، التي تتضمن ثلاث ميزات أساسية.

• الغازات المستخدمة داخل محرك ستيرلينغ لا تغادر المحرك أبداً. على عكس محركات البنزين أو الديزل، لا تحتوي هذه المحركات على صمامات عادم لتفريغ الغازات عالية الضغط. ولا تحدث فيها انفجارات أيضاً. وبالتالي، تكون محركات ستيرلينغ هادئة جداً.
• نظرًا لأنها ليست محرك احتراق داخلي، فإنها تحتاج إلى مصدر حرارة خارجي. ويمكن أن يكون هذا المصدر أشعة الشمس، أو الحرارة الجوفية، أو البنزين، أو الطاقة الشمسية. ويمكن أن يأتي الحرارة حتى من نبات متحلل.
• أخيرًا، كل ما يلزم هو مروحة دولاب دوار تدور بلطف لبدء تشغيل المحرك.

في هذا التقليد لبناء محركات ستيرلينغ تظهر محركات ستيرلينغ الحرارية الصوتية أو TASEs، وهي النظائر الصوتية لمحركات ستيرلينغ.

TASEs: النظائر الصوتية لمحركات ستيرلينغ

حصلت محركات ستيرلينغ الحرارية الصوتية على زخم وانتشار في مجال البحث العلمي بسبب انخفاض تكلفة تصنيعها، وكفاءتها العالية، وميزات عدم الحاجة إلى صيانة، وقدرتها على البدء ذاتيًا.

إحدى الفئات الأكثر شهرة من محركات ستيرلينغ الحرارية الصوتية هي محركات ستيرلينغ الحرارية الصوتية أو TASHEs. يمكن لهذه الأجهزة تحويل الحرارة إلى طاقة صوتية بمعدل كفاءة عالي جدًا. تكمن إمكانيتها في أنها لا تتضمن أجزاء متحركة، والمكونات بسيطة نسبيًا. هذه الأنظمة أقل تكلفة في التصنيع والصيانة. يفضلها الكثيرون كوسيلة لتوليد طاقة نظيفة وفعّالة.

كيف تعمل TASHEs؟

تحدث عملية تحويل الطاقة في هذه المحركات داخل المُعيد. المُعيد هو كتلة معدنية مسامية بين مبادل حراري ساخن (HHX) ومبادل حراري بارد أو محيطي. تساعد هذه المواقع عند الطرفين على الحفاظ على تدرج متوسط للحرارة في الاتجاه المحوري. يمكن للأمواج الصوتية التي تمر عبره – مع الطور المناسب – أن تُضخم بواسطة عملية حرارية تشبه دورة ستيرلينغ.

لماذا تُعتبر محركات ستيرلينغ الحرارية الصوتية مفيدة؟

ندرة الوقود الأحفوري تشكل تحديًا يواجه البشرية في المدى القريب. كما أن الوقود الأحفوري ليس مفيدًا لصحة الكوكب ويأتي مع مجموعة من القضايا المتعلقة بالاستدامة.

المجتمعات العلمية يفكرون في استخدام مصادر وقود بديلة، بما في ذلك الطاقة الشمسية، والطاقة الجوفية، والوقود الحيوي/الكتلة الحيوية، والنظائر المشعة، وأكثر.

في هذا السياق، أظهرت محركات ستيرلينغ نتائج جيدة بفضل كفاءتها العالية، ودورتها الحرارية المغلقة، وتشغيلها الصامت، والاهتزاز المنخفض، وعمرها التشغيلي الطويل، وانخفاض الحاجة إلى الصيانة.

قد يكون هناك نوعان من محركات ستيرلينغ: التقليدية والمتقدمة.

تطور محركات ستيرلينغ الحرارية الصوتية: الابتكارات والإنجازات

معرفة تاريخ TASEs أمر حاسم لفهم كيف تخدم هدفها وما هي طبيعة التكنولوجيا.

لقد تحدثنا بالفعل عن الأمواج الصوتية التي تمر عبر التدرج بين مبادلات الحرارة الساخنة والباردة أو المحيطية على الجانبين.

حتى الثمانينات، لم تتجاوز كفاءة معظم التصاميم في هذا المجال عادةً 5٪. وعلامة تحول في عام 1979، تم تحقيق إنجاز كبير بواسطة سيبرلي. أظهر أن الأمواج المتنقلة يمكنها استخراج الطاقة الصوتية بكفاءة أعلى، مما أدى إلى مفهوم تصميم TASHEs ذات الموجة المتنقلة المستخدمة اليوم.

ما يحدث في هذا المخطط الأكثر كفاءة هو أن جزءًا من الطاقة الصوتية المتولدة يعود إلى المُعيد عبر شكل من أشكال حلقة التغذية الراجعة، وجزء آخر يُوجه نحو رنان لاستخراج الطاقة.

شهد العقد الأول من الألفية تحسينًا إضافيًا في التكنولوجيا وراء TASHEs. في عام 2011، صمم تيجاني وسبولسترا TASHE ذات الموجة المتنقلة التي حققت كفاءة إجمالية ملحوظة تبلغ 49% من حد كارنو. لتوضيح السياق، يحدد حد كارنو حدًا مطلقًا للكفاءة التي يمكن من خلالها تحويل الطاقة الحرارية إلى عمل مفيد.

في أحدث developmen في مجال TASEs، طورت الصين مؤخرًا مولد ستيرلينغ حراري صوتي عالي الكفاءة، يمكنه توفير 140 حصانًا أو 102 كيلوواط من الطاقة من مصدر حرارة يبلغ 986 درجة فهرنهايت. جاء هذا التطوير من الباحثين العاملين في المعهد التقني للفيزياء والكيمياء بالأكاديمية الصينية للعلوم. وكانت هذه المرة الأولى التي يستطيع فيها مولد ستيرلينغ كهذا تجاوز 134 حصانًا أو 100 كيلوواط من القدرة.

تُعتبر هذه الابتكار الصيني من قبل الكثيرين بمثابة نقطة تحول محتملة بفضل تعدد استخداماته. يمكنه العمل مع مجموعة متنوعة من مصادر الحرارة وقد يغيّر طريقة توليد الطاقة، مقدماً حلولًا لمختلف احتياجات الطاقة.

وفقًا للفريق الذي ابتكرها، فإن موثوقيتها وتصميمها البسيط وتوافقها مع مصادر حرارة متنوعة يمكن أن تجعلها تنافس كفاءة توربينات البخار. يزيل تصميم المحرك الاهتزازات من النظام ويساعد على الحفاظ على ختم محكم. قد يساعد هذا الابتكار الصين في إنتاج غواصات فائقة الهدوء وغير نووية.

اقترحت دراسة أخرى عام 2017 توليد طاقة ستيرلينغ حراري صوتي من طاقة البرودة للغاز الطبيعي المسال والحرارة المهدرة منخفضة الحرارة. أدت الدراسة إلى تصميم مولد ستيرلينغ حراري صوتي يعمل بغاز الهيليوم بضغط 4 ميغاباسكال قادر على توليد 2.3 كيلواط من الطاقة الكهربائية بأعلى كفاءة الإكسيرجي تبلغ 0.253 عندما يتم الحفاظ على الطرفين البارد والساخن عند 110 ك و 500 ك.

تم دراسة تطور محرك ستيرلينغ الحراري الصوتي كحل لتقديم مستويات أعلى من كفاءة الطاقة عن كثب من قبل الباحثين والتقنيين المتقدمين حول العالم. وقد تم إنجاز الكثير من العمل في مجال حلول المؤسسات على نطاق واسع.

المنظمات التي تستفيد من محركات ستيرلينغ الحرارية الصوتية

1. NASA

حققت NASA تقدمًا كبيرًا في مجال محركات ستيرلينغ الحرارية الصوتية. الحل المعروف باسم محول الطاقة الحرارية الصوتية لستيرلينغ والمولد المغناطيسي القابل للانضغاط، يزيل جميع الأجزاء المتحركة لتحقيق أقصى كفاءة وموثوقية.

تقنية جديدة طورتها مركز غلين للأبحاث التابع لـ NASA

تجعل هذه التقنية محركات ستيرلينغ أكثر كفاءة وأقل تكلفة. تستفيد من محولات الطاقة الحرارية الصوتية حيث يُستخدم الصوت لتحويل الحرارة إلى طاقة كهربائية. يستخدم النظام ضغوطًا وحركات حجمية مدفوعة بالحرارة من مصادر حرارية صوتية لتشغيل المولدات الكهروضغطية أو تقنيات تحويل الطاقة الأخرى. هذا الجهاز قادر على توليد الكهرباء بكفاءة لا مثيل لها.

كان لتأثير ابتكار NASA نطاق واسع. ساعد محول الطاقة الحرارية الصوتية في إعادة تشكيل محرك ستيرلينغ التقليدي من شكل حلقي إلى ترتيب خطي مستقيم. تضمن هذه الابتكار أن الأنظمة المستقبلية لن تحتاج إلى الاعتماد على الأنابيب الميكانيكية القابلة للفشل. يمكن تحقيق الهدف باستخدام الرنين الصوتي عبر المكونات الإلكترونية.

أدى الابتكار إلى شيء فعال، موثوق، منخفض التكلفة، مدمج، ومتعدد الاستخدامات. يمكن استخدامه في توليد الطاقة الموزعة وأنظمة الطاقة السكنية، وأنظمة الحرارة والطاقة المشتركة، وتوليد الطاقة الشمسية المركزة، والمركبات الكهربائية الهجينة، وأنظمة التبريد، ومضخات الحرارة، وأنظمة الطاقة تحت الماء والبحرية، ووحدات الطاقة المساعدة.

2. SpaceX

هناك احتمال كبير أن تستكشف SpaceX (SPCX ) ، العملاق الآخر في تكنولوجيا الفضاء والطيران، محركات TASEs قريبًا. قد يساعدهم ذلك على تحقيق كفاءة محسنة في تحويل الحرارة إلى عمل ميكانيكي.

قد تؤدي تكاليف التصنيع والصيانة المنخفضة إلى إنتاج مركبات فضائية أخف بتكلفة أقل. كما سيساعد ذلك SpaceX على إدارة الحرارة بفعالية، مع تحسين قدرات توليد الطاقة في مهام الفضاء العميق.

وفقًا لـ تقارير التي نُشرت في منتصف أغسطس 2023، أدت إيرادات SpaceX المتصاعدة إلى تحقيق ربحية في الربع الأول من عام 2023 بعد خسارتين سنويتين. حققت الشركة المملوكة لإيلون ماسك ربحًا قدره 55 مليون دولار على إيرادات بلغت 1.5 مليار دولار خلال الفترة من يناير إلى مارس. وقد قُدرت قيمتها بنحو 150 مليار دولار أمريكي في عملية بيع أسهم للموظفين مؤخرًا.

3. Sierra Lobo, Inc.

تقع شركة Sierra Lobo, Inc. في فريمونت، أوهايو، وتقدم خدمات اختبار وتقييم وهندسة متخصصة في الفضاء والطيران على مستوى العالم. طورت محركات ستيرلينغ حرارية صوتية متكاملة يمكنها العمل مع مجموعة متنوعة من مصادر الطاقة/الحرارة، بكفاءة عالية وموثوقية، دون أي أجزاء متحركة. إنها مدمجة وقابلة للتوسع ويمكن استخدامها في التطبيقات الفضائية بفضل تشغيلها المستقل عن الجاذبية.

من المتوقع أن تجد هذه المحركات الحرارية تطبيقات في العديد من المجالات، بما في ذلك توليد الطاقة الصوتية وموجات الضغط وتوليد الكهرباء للتطبيقات الأرضية وتحت الماء وفي الفضاء. يمكنها في الوقت نفسه إنتاج طاقة كهربائية وتبريد، وتشغيل مولد خطي لتوليد الطاقة الكهربائية، وثلاجة ومبرد صقيعي لتوليد التبريد.

التحديات والفرص في الطريق أمامنا

أظهرت محركات ستيرلينغ الحرارية الصوتية (TASEs)، وهي فئة محددة من محركات ستيرلينغ، إمكانات كبيرة في تطوير مصادر طاقة مناسبة للسفر إلى الفضاء العميق. كانت NASA، وخاصةً من خلال مركز غلين للأبحاث، في طليعة الاستفادة من كفاءة التكنولوجيا وميزات صيانتها المنخفضة. من المتوقع أن تتقدم هذه التقنية أكثر، داعمةً أنظمة الطاقة التي قد تكون أساسية في العديد من مشاريع استكشاف الفضاء، وربما تشمل تشغيل القواعد على القمر والمريخ.

تُفضَّل هذه المحركات لقدرتها على تقديم كفاءة تحويل حرارية إلى كهربائية عالية جدًا مقارنةً بمحركات الحرارة الأخرى. إن غياب أنظمة المحامل والأجزاء المتحركة في TASEs يقلل بشكل كبير من خطر الفشل وتكاليف التصنيع.

مع ذلك، لكي تصبح الخيار المفضل الأكثر، لا يزال هناك عمل كبير يجب إنجازه في تحسين هذه التقنية. تواجه TASEs حاليًا تحديات تتعلق بالحجم والوزن، أساسًا لأن تصميمها الذي يتضمن مبادلات حرارة عند النقطتين الساخنة والباردة ينتج تشكيلًا أكثر ضخامة وثقلًا مقارنةً بمحركات الاحتراق الداخلي التقليدية ذات القدرة المماثلة.

بالإضافة إلى ذلك، غالبًا ما تواجه TASEs صعوبة في بدء التشغيل البطيء بسبب العطالة الحرارية المتأصلة. يقتصر استخدامها في السيناريوهات التي تتطلب بدءًا سريعًا أو تغييرات سريعة في السرعة. ومع ذلك، تهدف الابتكارات التقنية المستمرة إلى التغلب على هذه التحديات، مما يجعل TASEs عنصرًا حيويًا للعمليات الفضائية عالية التقنية وما بعدها.

انقر هنا للحصول على قائمة بأفضل 10 أسهم تكنولوجية مستعدة للنمو المستقبلي.