کاربرد‌های جدید آلیاژ‌های حافظه‌دار به کجا می‌رسد؟

ساینتیفیک امریکن | موضوع استحصال انرژی از مباحثی است که بشر به دلیل نیاز، همواره دنبال آن بوده است. در این بین در سال‌های اخیر همخوان‌بودن فرایند‌ها با محیط زیست نیز به‌عنوان یک پارامتر تعیین‌کننده در انتخاب فرایند‌ها مطرح شده است.

زمانی این موضوع هیجان‌انگیزتر می‌شود که گزارش شود در کشور‌های مختلف بین یک‌چهارم تا یک‌سوم انرژی مصرفی صنایع به صورت گرما به هدر می‌رود یا آمار دیگری بیان می‌کند که مقدار انرژی اتلافی سالانه جهان (به‌صورت آب گرم)، معادل دو برابر انرژی نفت و گاز تولیدی در عربستان سعودی در یک سال برآورد شده است.

کاربردی از آلیاژهای حافظه دار

حال اگر با هر روشی بتوان از این تلفات کاست، خود به معنی کسب سود بادآورده خواهد بود. در کنار مطلب یادشده، باید توجه داشت که موضوع آلیاژ‌های حافظه‌دار مانند نوعی جادوگری و تردستی مطرح بوده است؛ چون سطح یک فلز پس از تغییر شکل قادر است مجددا با ریختن آب داغ روی آن، به شکل قبلی خود بازگردد.

هرچند تاریخچه این آلیاژ‌ها قدیمی است و تقریبا تمام مهندسان متالورژی به‌نوعی به نام این آلیاژ‌ها برخورده‌اند، ولی جالب این است که با این همه توانایی، به‌جز در چند رشته محدود صنعتی، آن‌چنان فراگیر نشده‌اند.

با تمام این مسائل، دانشگاه‌ها و مراکز پژوهشی مشهور جهان هیچ‌گاه از مطالعه این آلیاژ‌ها برای کاربرد‌های جدید دست برنداشتند.

این گویای آن است که آن‌ها از هیچ موضوع کوچکی نیز نمی‌گذرند و به وظیفه خود درباره رصد فناوری‌ها عمل می‌کنند و این شاید دلیل تفاوت دانشگاه‌ها و پژوهشگاه‌های داخلی با این مراکز مشهور خارجی باشد و اینجاست که نقش انکوباتور‌های علمی یا همان مراکز رشد برای زنده‌نگه‌داشتن ایده‌های جدید و قدیمی مطروحه در دانشگاه‌ها و جامعه نمایان‌تر می‌شود.

محفلی برای اختراع
همین چند سال قبل بود که در شهر دوبلین در ایرلند، یک دانشمند، یک مهندس و یک تاجر در محلی گردهم آمدند تا آزمایشی را تجربه کنند. آن‌ها ابتدا آب را درون یک چای‌ساز برقی گرم کردند، سپس این آب داغ را روی لوله‌ای که به صورت طولی از وسط به دو نیم تقسیم شده بود، جاری کردند.

در انتهای این نیم‌لوله، چند سانتی‌متر سیم قرار داشت و یکی از آن سه نفر یک خط‌کش را در کنار این سیم قرار داده بود. با جریان‌یافتن آب داغ روی لوله، طول این سیم چند سانتی‌متر کاهش یافت و وقتی دوباره آب سرد روی این نیم‌لوله جاری شد، طول سیم به اندازه قبلی خود بازگشت. در اینجا بود که آن سه نفر دریافتند به کشف بزرگی دست یافته‌اند.

آن سیم عجیب و تغییرشکل‌دهنده‌ای که آن‌ها در آزمایش خود از آن استفاده کرده بودند، از ماده‌ای ساخته شده بود که به آن آلیاژ حافظه‌دار گفته می‌شود. این فلزات (و بعضی از غیرفلزات) زمانی که در معرض بعضی دما‌ها یا فشار‌ها یا تحریک‌های الکتریکی قرار بگیرند، به شکل‌های ازپیش‌تعیین‌شده خود تبدیل می‌شوند.

از حدود ٦٠ سال پیش که این آلیاژ‌ها اختراع شدند، در کاربرد‌های مختلفی از قبیل: مهندسی پزشکی و هوانوردی مورد استفاده قرار گرفته‌اند؛ ولی شاید یکی از کاربرد‌های دور از ذهن آن‌ها برای استحصال انرژی از آب داغ باشد. شاید به همین دلیل بود که آن سه نفر حاضر در آزمایش یادشده، شرکتی را به نام Exergyn پایه نهادند و مدعی هستند موتوری ساخته‌اند که از این سیم‌های تغییرشکل‌دهنده و آب داغ استفاده کرده و قادر است در فرایند‌های صنعتی، برق تولید کند.

طبق بعضی از تخمین‌ها در آمریکا حدود یک‌سوم از انرژی مصرفی در صنایع به صورت گرما هدر می‌رود. آقای «آدونیکولا» پروفسوری در دانشگاه کیس‌وسترن است که در علوم ماکرومولکولی کار می‌کند و کارشناس حرارت اتلافی صنایع نیز به‌شمار می‌رود؛ ولی ارتباطی با شرکت Exergyn ندارد.

او می‌گوید: «زمانی که از آب برای خنک‌کردن ماشین‌آلات و نیروگاه‌ها استفاده می‌شود، انرژی زیادی در فرایند‌های صنعتی و نیز دستگاه‌های تبادل حرارت به هدر می‌رود». البته این آب گرمی که به‌عنوان محصول جانبی فرایند‌های صنعتی و نیروگاه‌ها به‌شمار می‌رود، آن‌قدر داغ نیست که بتوان از آن بخار تولید کرده و آن را برای به‌حرکت‌درآوردن یک ژنراتور دیگر مجددا مورد استفاده قرار داد.

آیا وضع موجود تغییر خواهد کرد؟
البته بعضی از نیروگاه‌ها و صنایع، آب داغ اتلافی خود را وارد موتور‌های ثانویه‌ای می‌کنند که قادر است درصد کمی از انرژی موجود در این آب را با استفاده از فرایندی که «چرخه آلی رانکین» خوانده می‌شود، به برق تبدیل کند.

البته در این فناوری نیز مشکلاتی وجود دارد، چون این فرایند برای تولید برق از آب داغ نیازمند مواد شیمیایی است و به همین دلیل است که از کلمه آلی استفاده می‌شود، چون از یک سیال آلی استفاده می‌شود که عموما وزن مولکولی آن زیاد است.

آن دسته از این مواد شیمیایی آلی که با راندمان بالایی این تبدیل را انجام می‌دهند، عموما یا خطرناک هستند یا به محیط زیست آسیب می‌رسانند و در عوض آن دسته از مواد شیمیایی که پاک‌تر و کم‌خطرتر هستند، راندمان مناسبی ندارند. آقای «کومی» مدرس سیستم‌های زمین در دانشکده علوم زمین، انرژی و محیط زیست دانشگاه استنفورد است و ارتباطی با شرکت Exergyn ندارد.

او معتقد است هزینه‌های عملیاتی این موتور‌های ثانویه نیز به‌گونه‌ای است که آن‌ها همواره مقرون‌به‌صرفه تمام نمی‌شود. اگر بخواهیم درباره سیستم‌های تغییرشکل‌دهنده صحبت کنیم، باید متذکر شویم که آلیاژ‌های حافظه‌دار از خواص مولکولی منحصربه‌فردی برخوردار هستند که با توجه به دمای آن‌ها به شکل‌های از پیش تعیین‌شده، تبدیل می‌شوند.

این همان دلیلی است که این مواد در قلب موتور‌های جدید شرکت Exergyn به خدمت گرفته شده‌اند. این آلیاژها، نیتینول (NiTiNOL) نامیده می‌شوند که گونه‌ای از همان آلیاژ‌های حافظه‌دار اولیه شناخته می‌شوند. آقای «مک دوگال» پروفسور شیمی در دانشگاه ایالتی میدل‌تنسی است و ارتباطی با شرکت Exergyn ندارد. او در این زمینه می‌گوید: «این نام‌گذاری حاصل تلفیق نام نیکل (Ni)، تیتانیوم (Ti) و NOL است که مخفف آزمایشگاه اردنانس (مهمات) نیروی دریایی آمریکاست که نیتینول را اختراع کرده است».

قائمه، حاده و منفرجه می‌شود
البته ساختار نیتینول در مقیاس مولکولی شدیدا مرتب است. آقای «مک دوگال» گفته است: «در مقیاس مولکولی اکثر آلیاژ‌ها ساختمان واقعی ندارند.

آن‌ها شبیه محلول فلزات هستند و آرایش آن‌ها مخالف آرایش یک کریستال نمک یا الماس است. با این وجود در زیر میکروسکوپ مولکول‌های نیتینول از مکعب‌های منظم با زاویه ٩٠ درجه تشکیل شده است و انسان تصور می‌کند که یک دسته جعبه کفش روی همدیگر چیده شده‌اند». حال اگر این مولکول‌ها حرارت ببینند زوایای آن‌ها اندکی تغییر کرده و به زاویه حاده و منفرجه تبدیل می‌شود و مانند آن است که فلز منقبض شده است.

ولی با سردشدن این فلزات مجددا مکعب‌های با زاویه ٩٠ درجه تشکیل شده و فلز اندازه و شکل اولیه خود را باز خواهد یافت.

موتور شرکت Exergyn از این رفتار تغییرشکل‌دهنده استفاده می‌کند تا انرژی موجود در آب گرم اتلافی صنایع را به برق تبدیل کند. سازندگان این موتور می‌گویند که این موتور را می‌توان در سیستم لوله‌کشی حرارت اتلافی قرار داد تا به صورت سیکلی آب داغ وارد قسمت سیلندر پیستون آن شود.

هر پیستون به یک سیستم نیتینول متصل شده است. آقای «آلن هیلی» رئیس هیئت‌مدیره شرکت Exergyn است. او توضیح می‌دهد که «زمانی که آب داغ وارد می‌شود، این سیستم مقدار کمی منقبض می‌شود، ولی قدرت آن زیاد است و سپس آب سرد وارد سیستم پیستون می‌شود».

در طرف دیگر پیستون یک سیال با ویسکوزیته بالا وجود دارد. پیستون متحرک باعث جابه‌جایی سیال و ایجاد انتقال هیدرولیکی می‌شود که باعث به گردش درآوردن ژنراتور و تولید برق خواهد شد.

آقای «آدونیکولا» بیان داشته است که «استفاده از خواص این مواد برای تولید برق غیرمحتمل به نظر می‌رسید، ولی این همه حرف، نیست». باید اذعان داشت که دانشمندان بیش از نیم‌قرن پیش آلیاژ‌های حافظه‌دار را اختراع کردند و مهندسین نیز به دنبال استفاده از پتانسیل‌های استحصال انرژی این آلیاژ‌ها بوده‌اند.

در دهه ١٩٧٠ یک مهندس مکانیک به نام «بانکز» که در آزمایشگاه ملی لاورنس برکلی مشغول فعالیت بود، موتوری با آلیاژ‌های حافظه‌دار ساخت که اعتقاد داشت می‌تواند باعث صرفه‌جویی چند‌میلیارددلاری در هزینه انرژی نیروگاه‌ها و دیگر صنایع شود.

هرچند او این موتور را ثبت اختراع کرد، ولی نتوانست انقلابی را که انتظار داشت در صنایع ایجاد کند. از آنجایی که این فناوری پیچیده بود و نیازمند مواد شیمیایی زیادی بود، سیستم‌های تغییرشکل‌دهنده سریع‌تر از آنکه تصور می‌شد از بین می‌رفتند.

البته دانشگاهیان و مهندسین این ایده را در ژورنال‌ها و آزمایشگاه‌های سراسر جهان زنده نگاه داشتند. در سال ٢٠١٠ شرکت جنرال‌موتورز با بخش پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته در وزارت انرژی آمریکا شریک شدند تا آلیاژ‌هایی را بر پایه فلزات تغییرشکل‌دهنده بیابند تا بتواند انرژی را از حرارت‌های اتلافی استحصال کند.

با این وجود شرکت جنرال‌موتورز فقط آلیاژ‌های حافظه‌دار را جایگزین بعضی از قسمت‌های خودرو‌های خود کرد که «مثلا راحت‌تر بسته شوند». البته شرکت Exergyn مدعی یک تحول بزرگ در صنعت نیست. آقای «هیلی» می‌گوید شرکت آن‌ها فقط از دانش ایجادشده در چند دهه تحقیق و پژوهش استفاده کرده است تا سیستم‌های نیتینول محکم‌تری تولید کند. هرچند اطلاعات زیادی درخصوص نحوه حصول به این فرمولاسیون ذکر نکرده است.

بارقه‌های امید
آقای «هیلی» معتقد است که به این پیشرفت نیاز بوده است، چون در گذشته آلیاژ‌های حافظه‌دار پس از تعداد معینی تغییر شکل، خراب می‌شدند و از بین می‌رفتند. باید توجه داشت که جایگزینی سیستم‌ها در مقیاس بزرگ نیز امری آزاردهنده و هزینه‌بر بوده است و از ایجاد یک بازار مناسب برای این موتور‌ها جلوگیری می‌کرد. «هیلی» می‌افزاید: «چندین سال قبل بهترین نوع این آلیاژ‌ها فقط می‌توانست یک میلیون بار سیکل گرمایشی و سرمایشی را انجام دهد، ولی سیم ما قادر است ١٠ میلیون بار این کار را انجام دهد».

او اشاره می‌کند که «به صنعت بیوگاز به‌عنوان اولین مشتری خود می‌نگرد» و اساسا کمبود مشتری برای این فناوری احساس نمی‌کند، چون بعضی از صنایع غذایی هنگام تمیزکردن تجهیزات خود آب گرم اتلافی تولید می‌کنند و بعضی از مراکز داده‌ها نیز برای خنک‌کردن سرور‌های خود از آب بهره می‌جویند».

البته موتور Exergyn هنوز ارزش خود را اثبات نکرده است. در هر صورت شرکت خریدار موتور‌های Exergyn می‌خواهد ببیند که آیا این فناوری می‌تواند پس از یک دوره معین، پول خود را بازگرداند و باعث صرفه‌جویی در هزینه برق شرکت شود؟ آقای «کومی» می‌گوید: «باید دید هزینه متوسط برق برای مشتریان صنعتی چقدر درمی‌آید». این شرکت باید به موتور‌های سیکل رانکین که بازار آن‌ها از قبل وجود داشته است و از حرارت اتلافی، برق تولید می‌کرده است، رقابت کند.

البته کارشناسان بر این باورند که موتور Exergyn دارای یک مزیت ذاتی است. «کومی» اظهار داشته است: «احتمالا دستگاهی با تعداد زیادی قطعات متحرک و سیالات درونی (مثل موتور رانکین) بسیار گران‌تر از موتوری خواهد بود که از فلزی با قابلیت جلو و عقب رفتن استفاده کرده است، ولی اثبات این سخن را باید در عملکرد این دستگاه دید». درحال‌حاضر برای حصول به یک چنین نتایجی فقط دستگاه نمونه‌ای در دفتر شرکت Exergyn در دوبلین وجود دارد.

این دستگاه قادر است پنج کیلووات برق تولید کند. هر ٢٤ ساعت تولید این مقدار برق پاسخ‌گوی نیاز روزانه چهار خانوار است. گفته شده است که اولین آزمایش‌های واقعی در سال آینده انجام خواهد شد، چون در آن موقع Exergyn خواهد توانست ٩ میلیون دلار از سرمایه‌گذاران خود و دیگر اهداکنندگان کمک‌های مالی به دست آورد و موتور‌های ١٠ کیلووات خود را در چندین واحد بیوگاز در دوبلین نصب کند.

آقای «هیلی» معتقد است که «این موتور‌ها بالاخره مسیر مقرون‌به‌صرفه‌ای را برای تولید انرژی ارزان نشان خواهد داد. بازار تا زمانی که گزینه‌ای را معرفی نکنید که باعث صرفه‌جویی در پول آن‌ها شود، راه درست را نخواهد یافت». البته همه و همه این مطالب نشان می‌دهد که برای کسب اطلاعات بیشتر بد نیست سری به سایت این شرکت زد.