محركات تعمل بالأمونيا.. طريق إلى وسائل نقل أنظف وأكثر كفاءة

في حين شهد قطاع النقل تحولا جذريا نحو السيارات الكهربائية، فقد تم استكشاف فكرة استخدام الهيدروجين كوقود نظيف وفعال للنقل لعدة عقود.

تنبعث هذه المركبات من الماء عند الاحتراق، وبما أنها تعتمد على إنتاج المركبات ذات المحركات الحالية، فمن المتوقع أن يكون لها بصمة كربونية تصنيعية أقل من المركبات الكهربائية.

ومع ذلك، فإن تخزين ونقل الهيدروجين يتطلب ضغوطًا عالية ودرجات حرارة منخفضة، وهي عمليات كثيفة الاستهلاك للطاقة.

ولمعالجة هذه المشكلة، تم اعتبار الأمونيا بمثابة حامل محتمل للهيدروجين لخلايا الوقود أو محركات الاحتراق.

لكن الأمونيا وقود يصعب حرقه ويتطلب خلطه بالبنزينمن أجل احتراق فعال.

منذ عام 2019، يعمل البروفيسور ميتسوهيسا إيتشياناجي من قسم الهندسة والعلوم التطبيقية في كلية العلوم والتكنولوجيا إلى جانب أمير يلماز وتاكاشي سوزوكي، من جامعة صوفيا، على تصميم محركات يمكن استخدام الأمونيا فيها وقود مستقل.

يركز عملهم على ظروف فتح منفذ السحب التي تعزز خلط الهواء مع الوقود داخل أسطوانة المحرك من أجل احتراق أكثر كفاءة.

في دراسة نشرت في مجلة الطاقات، حدد الباحثون ظروف فتح منفذ السحب التي من شأنها أن تؤدي إلى ظروف تدفق دوامية داخل أسطوانة المحرك.

يقول البروفيسور إيتشياناجي: “يؤثر تدفق الهواء داخل الأسطوانات تأثيرًا عميقًا على الاحتراق والانبعاثات من خلال التأثير على ظاهرة خلط الهواء بالوقود”، “بهدف حرق الأمونيا فقط، قمنا بشكل أساسي بالتحقق من العلاقة بين نظام سحب المحرك والتدفق داخل الأسطوانات.”

يشير التدفق الدوامي إلى نمط يشبه الدوامة من خليط الهواء والوقود الذي يدخل أسطوانة المحرك.

وهذا مفيد لأنه يعزز خلط الهواء والوقود بشكل أفضل، مما يخلق خليط أكثر تجانسًا، مما يؤدي إلى تحسين الاحتراق وتقليل الانبعاثات.

أجرى الباحثون أبحاثهم على محرك ديزل بصري أحادي الأسطوانة مزود بأسطوانة زجاجية ومكبس، بالنسبة لسحب الهواء، استخدم المحرك منافذ سحب عرضية وحلزونية تقليدية.

ولتصور تدفقات الهواء في المحرك، أدخل الباحثون جزيئات السيليكا بأقطار 4.65 ميكرومتر كمتتبعات أثناء شوط السحب وراقبوا حركتها في المحرك باستخدام كاميرا CMOS عالية السرعة.

يتطور الهواء الذي يدخل عبر المنفذ الحلزوني إلى أنماط دوامية، في حين أن الهواء من المنفذ العرضي لا ينتج في البداية أي بنية دوامية، ومع ذلك، عند إعادة توجيهها بواسطة جدران الأسطوانة، فإنها تولد في النهاية هياكل دوامية.

احتراق الأمونيا بكفاءة في المحرك

وفي تجاربهم السابقة، لاحظ الباحثون أن سرعة تدفق الهواء ظلت ثابتة نسبيًا عبر فتحات المنافذ الحلزونية المختلفة، لذلك، مع ترك المنفذ الحلزوني مفتوحًا تمامًا، قاموا بتغيير فتحة المنفذ العرضي إلى 0%، و25%، و50%، و75%، و100% لتحديد تأثيره على السحب والتدفقات داخل الأسطوانة أثناء أشواط السحب والضغط .

لاحظ الباحثون التوليد الناجح للتدفقات الدوامة في المرحلة المبكرة من شوط الانضغاط عندما كان فتح المنفذ العرضي أكثر من 25%.

وقد لوحظ أن تكوين تدفقات الدوامة يرتبط بتباينات منخفضة في الطاقة الحركية المضطربة أثناء شوط السحب وتباينات منخفضة في موضع مركز الدوامة أثناء شوط الضغط.

مراقبة التدفقات الدوامة في الأسطوانة تفتح الباب أمام احتراق الأمونيا بكفاءة في المحرك.

ويعتزم الباحثون تطبيق نتائج هذه الدراسة للتحقيق في خصائص الاحتراق لخليط الأمونيا والبنزين أو الأمونيا فقط في المحرك.

نقص محتمل في الليثيوم

ومن المتوقع أن يتجاوز الطلب على الليثيوم، مدفوعًا في الغالب بالمركبات الكهربائية، 2.4 مليون طن متري بحلول ثلاثينيات القرن الحالي، وهي زيادة كبيرة عن 130 ألف طن متري سيتم إنتاجها في عام 2022.

ووفقًا لوكالة الطاقة الدولية، قد يؤدي هذا إلى نقص محتمل في الليثيوم في وقت مبكر من عام 2020، 2025، في مثل هذه الحالة، تظهر الأمونيا كوقود نظيف بديل واعد.

على الرغم من وجود تحديات يجب التغلب عليها قبل أن تصبح المركبات التي تعمل بوقود الأمونيا حقيقة، فإن هذا البحث يبشر بالخير لتحقيق الأهداف الحالية والمستقبلية لإزالة الكربون.

يقول البروفيسور إيتشياناجي: “من المتوقع أن يؤدي تطوير المركبات ذات المحركات التي تعمل بوقود الأمونيا ليس فقط إلى تقليل انبعاثات ثاني أكسيد الكربون من المحركات، بل يساهم أيضًا في تحقيق مجتمع طاقة الهيدروجين”.