پلاسما در علم هــوانــوردی(قسمت چهارم)

دکتر مهدی رحیمی؛ استاد دانشگاه:

اشاره:

در شماره قبل به مقدمـه‌ای در باب اینکـه دانشمنـدان سال‌ها است بـه ارزش پـلاسمـا در علـم آیـرودینامیـک و احتـراق پی برده‌اند، پرداختیـم و گفتیـم که در طـول 33 سال اخیـر حوزه‌هـای تحقیقاتی پلاسما گسترش پیدا کرده است. سپس به‌صـورت اجمـل گـذری بر تحقیقـات در حوزه کاربرد پلاسما در صنعت هوایی و وضعیت فعلی و آینده آیرودینامیک پلاسما پرداختیم و گفتیم امروزه محققان بر روی کنتـرل پـرواز، کنتـرل جریـان، احتـراق بـه کمـک پـلاسمـا، سپـرهـای حـرارتی مگنتوهیدرودینامیک و تولید برق درون خود پرنده به کمک پلاسما تحقیقات می‌کنند.

همچنین به کنترل جریان به کمک پلاسما اشاره نمودیم و گفتیم دو مکانیزم اصلی کنترل جریان به کمک پلاسما یکی نیروی حجمی (بر اساس فعل‌وانفعالات مگنتوهیدرودینـامیک و الکترودینـامیک) و دیگری اثرات گرمایشی (گرمایش ژول و کاهش انرژی درونی) استفاده می‌شود. در ادامه به موضوع احتراق بهینه به کمک پلاسما می پردازیم.

احتراق بهینه به کمک پلاسما

امروز 85 درصد فرآیندهای تبدیل انرژی بر پایه احتراق است. با توجه به افزایش هزینه و افزایش روز افزون اثرات مخرب زیست محیطی ناشی از استفاده از سوخت‌های فسیلـی؛ صنـایع گونـاگون مجبـور هستنـد بـازده فرآینـد احتـراق را افـزایش، تـولیـد آلاینـده‌هـا و نـواقص احتـراق را کـاهـش و سیستم‌های پیشرانه جدیدتری تولید کنند.

حدود 150 سـال پیش و با اختراع سیستم اشتعال جرقه‌ای توسط مهندس بلژیکی به اسم آتین لنویر، استفاده از پلاسماها در فرآیند احتراق شروع شد. اما رونمایی از پروژه آژاکس بـاعث شـد محـققیـن از پـلاسمـاهـا بـرای بهبـود واکنش‌پذیری سوخت و هـوا استفاده کننـد. همین امر باعث به وجود آمدن حوزه جدیدی به نام احتراق بهینه به کمک پلاسما گردیده است. در دو دهه گذشته انجمن جهانی تحقیقات بـر روی احتـراق بهینـه به کمک پـلاسما توانسته پیشرفت چشم‌گیری در درک اثرات فیزیکی-شیمیایی تخلیه پلاسماهای متنوع بر روی احتراق به دست آورد. آنها توانسته‌اند یافته‌های خود را در مقیاس آزمایشگاهی با موفقیت آزمایش کنند.

امروزه این روش یکی از قابل اعتمادترین و آینده‌دار ترین روش‌های احتراق بوده و یک حوزه کلیدی برای یافتن کاربردهای جدید برای استفاده از تخلیه‌های پلاسمایی فشار بالا نیز می‌باشد. از اواسط دهه نود میلادی چندین آزمایش تائیدیه طرح بر روی دستگاه‌های آزمایشگاهی با موفقیت انجام شده است.

با کمک این آزمایش‌ها محققان سودمندی فرآیند احتراق بهینه به کمک پلاسما را به نمایش گذاشتند. به‌عنوان مثالاً دانشمندان توانسته‌اند با جریان مستقیم، جریان مایکروویو و با تخلیه‌های پالس مکرر نانوثانیه‌ای به صفحات تخت و تثبیت کننده‌های شعله، کاهش در تأخیر سیستم اشتـعـال و تثبیـت شعلـه در جـریـان‌هـای مافوق صوت را امکان‌پذیر کنند. تفنگ ریلـی که با شمع جرقـه پلاسمایـی کار می‌کند، با میدان مغناطیسی که خود ایجاد کرده، می‌تواند اشتعال را بهبود و فرسایش الکترودها را کاهش دهد.

بطوریکه می‌توان از این پلاسما در خودرو، توربین و موتورهای انفجار پالسی استفاده کرد. با استفاده از تخلیه‌های نانوثانیه‌ای تأخیر در اشتعال به‌شدت کاهش می‌یابد. این پدیده باعث می‌شود موتورهای انفجار پالسی در فرکانس‌های بالاتر فعالیت کرده و درنتیجه رانش و بازده را افزایش دهند.

دانشمندان توانسته‌اند در فشارهای بالا با استفـاده از تخلیه‌هـای NRP و با سوخت‌های متنوعی همچون گاز طبیعی، پروپان و نفت سفید تثبیت شعله را در رژیم‌های پیش ترکیب و رقیق ( یعنی سوختن گاز در دمای کم که باعث کاهش تولید ترکیب اکسید نیتروژن می‌شود) ممکن سازند. با استفاده از پلاسما می‌توان اشتعال ترکیب‌های فوق رقیق هوا-سوخت و ترکیب‌هایی با بازگردش بالای گاز اگزوز را بهبود بخشید.

این فرآیند باعث افزایش بازده موتورهای بنزینی و کاهش تولید اکسید نیتروژن در موتورهای دیزلی می‌شود. دانشمندان در تلاشند تا با استفاده از پلاسما ناپایداری‌های احتراق ترمواکوستیک (در بازه چند صد هرتز) را به شکل فعال برای کاهش نشر اکسید نیتروژن، تمایل به کاهش پس شعله، بیرون دمیدن، افزایش انتقال حرارت، تضعیف خستگی یا خسارت سازه‌ای، ساده‌تر کردن طراحی محترق کننده و گسترش توان عملیاتی را کنترل کنند.

در قیاس با ابزار مکانیکی و ابزار کنترل آکوستیک؛ تخلیه پلاسمایی به‌آسانی تولید و عملیاتی می‌شود (می‌توان در سرتاسر الکترودهای شمع‌های مرسوم پلاسما تولید کرد). پلاسما در بازه‌های زمانی بسیار کوتاه واکنش نشان می‌دهد و پهنای باند بالایی دارد. می‌توان با استفاده از تخلیه جزئی در اکثر این ابزار اثرات مفید پلاسما را به وجود آورد. با کمتر از یک درصد انرژی آزاد شده از شعله می‌توان فواید سودمند پلاسما را به دست آورد.

در چند سال اخیر تحقیقات انجام شده بر روی پلاسماهای مایع و بخار-مایع به شکل چشمگیری افزایش‌ یافته است. بعضی از خصوصیات این پلاسماها این پتانسیل را دارد که در علم هوافضا به کار گرفته شود. به‌عنوان مثال: زمانی که یک سوخت مایع به‌وسیله یک پالس تجزیه شود فشار به شکل ناگهانی بالا رفته و باعث به وجود آمدن شرایط بحرانی گذرا شده، بطوریکه یک اثر قوی روی دینامیک تزریق سوخت، تجزیه اتم‌ها و ترکیب شدن با جریان دارد.

در دستـرس ترین کاربرد پلاسماهـا در حوزه اشتعـال است. در همیـن راستا چندین طـرح در محیط‌های شبه واقعی در دست اجرا و بررسی است. ابزارآلات پلاسمایی این توانایی را دارند که پایداری اشتعال را افزایش، احتراق کامل‌تر را ممکن و فرسایش الکترودها را کاهش دهند. احتمالاً می‌توان با استفاده از پلاسما راندمان استارت در هوای سرد را نیز افزایش داد. هراندازه پلاسماهـا و موتورها کارآمدتر شوند؛ استفاده از ترکیب‌هـای رقیق‌تر هـوا-سوخت امکان‌پذیرتر می‌شود.

برای تولید برق (چه در وسایل نقلیه و چه در نیروگاه‌ها) از موتورهای دیزلی احتراق درونی، موتورهای بنزینی، توربین¬هایی با سوخت گاز طبیعی و هیدروکربن مایع و از ژنراتورهای مختلف استفاده می‌شود. چونکه ابزارآلات تولید برق فوق‌الذکر بسیار پرکاربرد هستند؛ به کاربردن پلاسماها در این ابزار خیلی مهم به نظر می‌رسد. حتی اگر بتوان با کمک پلاسما در این ابزار بهبودی هرچند جزئی به وجود آورد می‌توان گفت موفقیت عظیمی به دست آمده است. کاهش نشر گازهای مخرب به کمک پلاسما می‌تواند اثرات زیست محیطی اساسی در پی داشته باشد.

به‌کارگیری پلاسماها در محیط‌های فشار جو مثل وسایل گرمایش خانگی یا آب گرمکن‌ها (که با نفت و یا گاز طبیعی کار می‌کنند) می‌تواند آلایندگی را کاهش و به احتراق تمیز و احتراق در دماهای پایین‌تر کمک کند. یک پیامد خیلی مهم اما دور از دست پلاسماها، تقویت و کنترل موتورهای سـرعـت بـالا رم جـت، اسکـرم جـت و پس سـوز موتـورهـای جـت می‌باشد. فناوری‌های پلاسما محور این امید را به وجود آورده که در رابطه با اشتعال حجمی، تثبیت شعله، افزایش مخلوط شدن، بهبود سرعت شعله و کنترل آکوستیک پیشرفت حاصل شود. برای بهبود اکثر این فرآیندها می‌توان از طرح‌های کنونی احتراق بهره برد و اثرات پلاسما را به‌وسیله فناوری‌های پیشرفته شمع جرقه، انژکتور و یا تغییرات در سیستم سوخت رسانی به دست آورد.