7 دقیقه
مهندسان چینی نمونهای آزمایشی از یک موتور جت را رونمایی کردهاند که وعده میدهد بدون سوخت فسیلی یا باتری کار کند. این پیشران مبتنی بر مایکروویو و پلاسما با استفاده از هوای محیط و انرژی متمرکز مایکروویو، با فشردهسازی و یونیزهکردن هوا به حالت پلاسما — یک حالت انرژیبالای ماده — نیروی رانش تولید میکند و میتواند ردپای کربنی هوانوردی را تغییر دهد. در نگاه کلی، این ایده میتواند زمینهای برای پیشرانش بدون سوخت مایع و کاهش انتشار CO2 در حملونقل هوایی فراهم کند، ولی دستاوردهای عملی نیازمند توسعه مهندسی گستردهاند.
نحوه عملکرد واقعی موتور پلاسما مایکروویو
ایدهی مرکزی بهظاهر ساده است: هوای اطراف را فشرده کنید، سپس آن را با امواج مایکروویو کمفرکانس تابش دهید تا پلاسما شکل بگیرد. در عمل، وقتی تابش مایکروویو با هوای فشرده برخورد میکند، الکترونها از اتمها جدا میشوند و گاز یونیزه شده یا پلاسما پدید میآید. این پلاسما میتواند انرژی آزاد کند و یک جریان خروجی با سرعت بالا ایجاد نماید که نیروی رانش تولید میکند. مفاهیم کلیدی فنی شامل نرخ یونیزاسیون، توزیع انرژی درون اتاقک پلاسما، و تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی جنبشی جرمی است که از جریان خروجی حاصل میشود.
برخلاف موتورهای جت مبتنی بر احتراق، طراحی پلاسما احتراق کرزن یا سوخت مایع، اکسیدکنندههای همراه یا محصولات جانبی شیمیایی احتراق را حذف میکند. مهندسان اشاره میکنند که فرکانسهای مایکروویو مورد استفاده نسبتا پایین هستند — نزدیک به فرکانسهای اجاقهای مایکروویو خانگی — اما سطوح توان، از نظر مقدار و کنترل، بهمراتب پیچیدهتر و توانمندی مهندسی بالاتری نیاز دارند. برای نمونه، تولیدکنندههای توان میتوانند شامل مگنترونها، تقویتکنندههای حالتجامد قدرت بالا یا دستگاههایی مانند gyrotron در سطوح توان بسیار بالا باشند؛ هر یک مزایا و معایب خود را از حیث اندازه، وزن، کارایی و قابلیت حمل دارند.
خاستگاه و نخستین نمایشها
این مفهوم ریشه در آزمایشهایی دارد که در سال 2020 توسط پروفسور Jiao Tang در دانشگاه ووهان آغاز شد؛ پژوهشی که در ابتدا به سنتز الماس مصنوعی با کمک مایکروویو میپرداخت. در جریان آن آزمایشهای آزمایشگاهی، Tang و تیمش شرایطی را مشاهده کردند که در آن مایکروویوها میتوانستند پلاسما را در هوأ فشرده نگهدارند و منتقل کنند و این مشاهده الهامبخش کاربرد این پدیده در حوزهٔ پیشرانش شد. چنین پیوندی میان شیمی، فیزیک پلاسما و مهندسی هوافضا نمونهای از بینرشتهای بودن پژوهشهای نوآورانه است.
گزارشها حاکی است اولین دستگاه اثباتمفهوم توانست یک کرهٔ فولادی حدود 900 گرم را معلق کند — جرمی نهچندان بزرگ اما نشانهای معنادار برای رویکرد نوین پیشرانش. عبور از معلقسازی یک جسم کوچک تا تأمین توان یک هواپیمای کامل نیازمند اتاقکهای پلاسما با حجم بسیار بزرگتر، منابع مایکروویو پرتوان و قابلحمل و آزمونهای پروازی و ایمنی بسیار سختگیرانه است. علاوه بر این، مسائلی مانند مدیریت حرارتی، خوردگی الکترودها (در صورت وجود)، و رفتار پلاسما در شرایط متغیر ارتفاع و دما باید در مقیاس عملیاتی بررسی شوند.
چرا این موضوع برای هوانوردی و اقلیم اهمیت دارد
اگر این فناوری به بلوغ برسد، پیشرانش پلاسما مایکروویو میتواند بهطور چشمگیری انتشار گازهای گلخانهای در هوانوردی را کاهش دهد. موتورهای جت کنونی مقدار زیادی سوخت فسیلی میسوزانند و دیاکسیدکربن منتشر میکنند؛ گازی که نقش اصلی در گرمایش جهانی دارد. سیستمی که سوخت درونسفری نداشته باشد و خروجی شیمیایی احتراق تولید نکند، میتواند جهش مهمی در مسیر حذف کربن از سفرهای هوایی باشد و به اهداف کاهش انتشار جهانی کمک نماید.
علاوه بر کاهش انتشار، سامانههای مبتنی بر پلاسما ممکن است تبادلهای متفاوتی در کارایی و عملکرد نشان دهند — از جمله امکان طراحی معماریهای نوین هواپیما، کاهش وزن سوختهای ذخیرهشده و کاهش زمان بازگشت و آمادهسازی برای مأموریتهای درازبرد. با این حال مزایا تا زمانی که مسائل تأمین توان، انتقال انرژی، و مقیاسبندی حل نشوند، در حد فرضیه باقی میمانند. تحلیل دقیق پارامترهایی مانند نیروی رانش به ازای واحد توان (محور رانش/توان)، ویژهپالس (specific impulse) معادل و مصرف انرژی در مأموریتهای واقعی برای ارزیابی عملیاتی ضرورت دارد.
موقعیت این فناوری در میان سایر تلاشهای پیشرانشی
فیزیک پلاسما برای پژوهشهای پیشرفتهٔ هوافضا پدیدهای تازه نیست. آزمایشهای بزرگ همجوشی، پیشرانشگرهای پلاسما برای ماهوارهها و موتورهای یونرانش از گازهای یونیزهشده استفاده میکنند؛ پژوهشهایی که سالها در مؤسسات بینالمللی و صنایع فضایی دنبال شدهاند. اخیرا کشورهای دیگر نیز پروتوتایپهایی از پیشرانش پلاسما را اعلام کردهاند: مهندسان روسی مفهومی از درایو پلاسما برد بلند را مطرح کردهاند و ناسا طراحیهای راکتی پالسپلاسما را بررسی کرده است. نقطهٔ متمایزکنندهٔ موتور پلاسما مایکروویو چینی، استفاده از هوای محیط بهعنوان سیال کاری و مایکروویو بهعنوان منبع انرژی اولیه است که از لحاظ عملیاتی مزایایی مانند عدم نیاز به ذخیرهٔ اکسیژن یا سوخت مایع درون هواپیما دارد.
موانع فنی و گامهای بعدی
- منبع توان: برای مقیاسبندی رانش به سطح مورد نیاز هواپیماهای تجاری لازم است تا تولیدکنندههای مایکروویو قابلاطمینان، سبک و با چگالی توان بالا مانند تقویتکنندههای RF حالتجامد یا سامانههای انتقال توان بیسیم (beamed power) توسعه یابند. هر گزینه چالشهای خاص خود در زمینه کارایی، تلفات انرژی و ایمنی دارد.
- محدودیتهای حرارتی و مواد: میدانهای پلاسما و مایکروویو به مواد ساختار داخلی و بدنه فشار وارد میکنند؛ به همین دلیل سیستمهای خنککننده پیشرفته و آلیاژها یا سرامیکهای جدید با مقاومت بالا در برابر خوردگی، فرسایش و دما ضروری خواهند بود. طراحی قطعاتی که هم سبک و هم مقاوم باشند، نیازمند توسعه مواد کامپوزیتی ویژه و پوششهای محافظ است.
- ایمنی و مقررات: استفاده از مایکروویوهای پرتوان و خروجیهای یونیزه شده مستلزم استانداردهای ایمنی جدید، آزمونهای زیستمحیطی و مجوزهای هوانوردی خواهد بود. تشعشعات الکترومغناطیسی قوی، اثرات بر سامانههای الکترونیکی و سلامت انسانی باید بهدقت بررسی و کنترل شوند.
- کارایی و برد عملیاتی: مهندسان باید نشان دهند که مزیت خالص انرژی (نسبت انرژی مصرفی به انرژی مفید تولیدشده برای رانش) نسبت به موتورهای جت مرسوم یا سیستمهای هیبریدی-الکتریکی موجود مثبت است. شاخصهایی مانند مصرف انرژی در هر کیلومتر، ویژهپالس معادل، و هزینه عملیاتی در چرخه عمر باید بهبود یابند تا ارزیابی اقتصادی مفیدی حاصل شود.
در جمعبندی، پیشرانش پلاسما مایکروویو مسیر جذابی بهسوی پرواز بدون سوخت است. این فناوری در مرحلهٔ اولیهٔ پژوهش و توسعه قرار دارد و پتانسیل قابلتوجهی برای کاهش انتشار کربن و بازتعریف طراحی هواپیماها دارد — اما هنوز نیازمند باند طولانی از توسعهٔ مهندسی، آزمونهای ایمنی، و یکپارچهسازی سامانهای است تا وعدهٔ خود را در سطح تجاری محقق سازد. پژوهشهای آتی باید روی توسعه منابع توان با چگالی بالا، روشهای خنککنندگی نوین، مواد مقاوم در برابر میدان پلاسما و استانداردهای بینالمللی متمرکز شوند.
منبع: smarti
نظرات
محمد
خوبه که دنبال حذف سوخت فسیلی هستن، ولی حس میکنم کمی رسانهای شدن، هنوز پرسشای اساسی درباره بازده، ایمنی، و مقررات بیپاسخ مونده
لابکور
نخستین آزمایش معلق کردن یه کره ۹۰۰ گرمی نشون میده ایده کار میکنه، اما از معلقسازی تا رانش مستمر میلیونها ساعت تست لازمه، مواد و خنککاری و ایمنی بزرگترین موانع هستند.
توربو
این واقعیه؟ اینکه با مایکروویو هوا رو پلاسما کنن و رانش بگیرن، تو پرواز پایدار چطور جواب میده... اگه ایمن باشه میتونه game changer باشه
دیتاپالس
وای... ایده جالبیه، ولی اینکه بتونه نیروی کافی برای هواپیماهای تجاری تولید کنه؟ شکی دارم، کلی چالش مهندسی مونده.
ارسال نظر