توربین هیدروژنی بدون کمپرسور با استفاده از امواج انفجاری به رکورد جدیدی دست یافت و کارایی انرژی پاک را متحول کرد

تیمی از مهندسان آلمانی به آنچه که مدت‌ها رؤیایی ترمودینامیکی تلقی می‌شد، دست یافتند: تولید برق از یک توربین گازی که فاقد کمپرسور مکانیکی است. محققان در مؤسسه فناوری کارلسروهه (KIT) با مهار قدرت آشفته انفجارهای مداوم مافوق صوت، یک توربین هیدروژنی بدون کمپرسور را به مدت رکوردشکن ۳۰۳ ثانیه به کار انداختند.[1][4]

توربین‌های گازی سنتی – که ستون فقرات شبکه‌های برق جهانی و صنعت هوانوردی هستند – ذاتاً به دلیل طراحی خود دچار محدودیت هستند. آن‌ها باید تقریباً ۵۰ درصد از نیرویی را که تولید می‌کنند، صرف فشرده‌سازی هوای ورودی قبل از وقوع احتراق کنند. حذف این مصرف انرژی اضافی می‌تواند بزرگترین جهش در بازده تولید برق در دهه‌های اخیر را رقم بزند.[1][5]

تیم KIT، به رهبری پروفسور دانیل بانوتی (Daniel Banuti) در مؤسسه فناوری و ایمنی انرژی حرارتی، دوام این سیستم را با حفظ واکنش برای کمی بیش از پنج دقیقه نشان داد. این رکورد، معیار قبلی ناسا (NASA) که ۲۵۰ ثانیه بود را در هم می‌شکند و یک آستانه حیاتی برای دوام مواد در محیط‌های بسیار سخت محسوب می‌شود.[1][3][6][7]

این پیشرفت متکی بر مفهومی است که به عنوان احتراق با افزایش فشار شناخته می‌شود، به ویژه با استفاده از انفجار چرخشی. به جای استفاده از پره‌های فلزی چرخان برای فشرده‌سازی هوا، این سیستم از شیمی انفجاری خود سوخت استفاده می‌کند. هنگامی که هیدروژن به محفظه حلقوی تزریق می‌شود، در یک موج انفجاری خودپایدار مشتعل می‌شود که با سرعتی فراتر از سرعت صوت در اطراف حلقه حرکت می‌کند.[2][3][4][5]

این امواج انفجاری از طریق ناپایداری‌های مکانیک سیالات – الگوهای پیچیده موج و گرداب در گازهای جاری – شکل می‌گیرند. نیروی محض موج شوک مافوق صوت، مخلوط هیدروژن و هوای نسوخته را در جلوی خود فشرده می‌کند و فشار بالایی را که برای استخراج کارآمد انرژی لازم است، بدون نیاز به هیچ قطعه متحرکی در مرحله فشرده‌سازی ایجاد می‌کند.[1][5][7][8]

هیدروژن ستون اصلی این طراحی خاص است. از آنجا که هیدروژن با سرعت بسیار بالایی با اکسیژن واکنش می‌دهد، می‌تواند چرخه‌های انفجاری سریع مورد نیاز برای حفظ پایداری موج فشار را تحمل کند. به عنوان یک مزیت زیست‌محیطی اضافی، سوزاندن هیدروژن هیچ دی‌اکسید کربنی تولید نمی‌کند و تنها بخار آب را وارد جو می‌کند.[1][2][6][8]

مانع اصلی در برابر موتورهای انفجاری چرخشی همیشه تخریب حرارتی بوده است. انفجار به شدت داغ و آشفته است. تجهیزات آزمایشی قبلی اغلب محفظه‌های مسی یا فولادی خود را در عرض میلی‌ثانیه‌ها ذوب می‌کردند. رسیدن به ۳۰۳ ثانیه نیازمند علم مواد پیشرفته و زمان‌بندی دقیق تزریق برای جلوگیری از سوختن خود سخت‌افزار بود.[2][3][4][6]

ایجاد انفجار تنها نیمی از نبرد است؛ استخراج کار مفید، نیمه دیگر است. گاز خروجی از محفظه احتراق انفجاری بسیار ناپایدار است و با جهش‌های شدید فشار همراه است. هدایت این جریان خشن و کوبنده به داخل یک توربین حساس بدون خرد کردن پره‌ها، یک چالش بزرگ در زمینه مکانیک سیالات است.[1][3][5][7]

محققان KIT با موفقیت یک ژنراتور را به شفت توربین متصل کردند و چرخش آشفته آن را به جریان متناوب پایدار تبدیل کردند. بانوتی اشاره کرد که اگرچه پیش از این نیز محققان دیگری محفظه‌های احتراق انفجاری را به موتورهای توربوشفت متصل کرده بودند، اما انجام این کار بدون کمپرسور و استخراج موفقیت‌آمیز برق، یک دستاورد جهانی بی‌سابقه است.[1][2][3][4]

در حالی که رکورد ۳۰۳ ثانیه‌ای به عنوان شکستن رکورد ۲۵۰ ثانیه‌ای ناسا جشن گرفته می‌شود، تحلیلگران هوافضا به یک نکته فنی ظریف اشاره می‌کنند. آزمایش ناسا در سال ۲۰۲۳ شامل یک محفظه احتراق موتور موشک انفجاری چرخشی بود. موشک‌ها ذاتاً فاقد کمپرسور هستند زیرا اکسیدکننده مایع را حمل می‌کنند، که این مقایسه را کمی نامتقارن می‌کند، اگرچه دوام خام محفظه انفجار همچنان یک پیروزی محسوب می‌شود.[3][6]

اگر این فناوری در مقیاس نیروگاه‌های تجاری اجرا شود، افزایش بازدهی آن خیره‌کننده خواهد بود. وزارت انرژی ایالات متحده قبلاً تخمین زده بود که احتراق با افزایش فشار می‌تواند درصد قابل توجهی به بازده مطلق یک توربین با چرخه ساده بیفزاید. در صنعتی که یک درصد افزایش بازدهی یک جهش نسلی محسوب می‌شود، کاهش ۵۰ درصدی تلفات فشرده‌سازی اضافی، محاسبات اقتصادی برق شبکه را بازنویسی می‌کند.[2][3][5][7]

فراتر از تولید برق ثابت، بخش هوافضا نیز به دقت این فناوری را زیر نظر دارد. حذف بخش سنگین و پیچیده کمپرسور از یک موتور جت، وزن و پیچیدگی مکانیکی را به شدت کاهش می‌دهد. یک موتور جت با سوخت هیدروژن و بدون کمپرسور می‌تواند مسیری عملی برای هوانوردی تجاری بدون آلایندگی با قطعات متحرک کمتر برای نگهداری ارائه دهد.[2][4][6][7]

با وجود نمایش موفقیت‌آمیز، موانع قابل توجهی باقی مانده است تا این فناوری بتواند برق یک شهر را تأمین کند. نمونه اولیه یک تجهیز آزمایشی در مقیاس کوچک است. مهندسان هنوز داده‌های دقیقی در مورد انتشار اکسید نیتروژن (NOx) سیستم منتشر نکرده‌اند، که می‌تواند در طول احتراق با دمای بالا افزایش یابد و نیاز به کاهش داشته باشد.[3][5]

علاوه بر این، یک کارکرد پنج دقیقه‌ای، اگرچه یک رکورد برای آزمایشگاه است، اما فاصله زیادی با هزاران ساعت کارکرد مداوم مورد نیاز برای یک نیروگاه تجاری دارد. تیم KIT اکنون در حال آماده‌سازی برای افزایش مقیاس تجهیزات آزمایشی به اندازه‌های مرتبط با صنعت هستند و یک نمایش عمومی برای نمایشگاه صنعتی هانوفر مسه (Hannover Messe) برنامه‌ریزی شده است.[2][3][6][7]

محققان KIT با رام کردن یکی از مخرب‌ترین نیروها در مکانیک سیالات، مرز جدیدی را در ترمودینامیک گشوده‌اند. اگر چالش‌های باقی‌مانده مواد و مقیاس‌بندی حل شوند، توربین هیدروژنی بدون کمپرسور می‌تواند به موتور نهایی بدون کربن تبدیل شود و هرج و مرج خشن انفجار را به زمزمه‌ای پایدار از یک شبکه برق پاک مبدل سازد.[1][2][4][8]