سوخت هیدروژن

هيدروژن فراوان‌ترين عنصر طبيعت محسوب می‌شود؛ بنابراين دانشمندان در تلاش‌اند تا راهی بيابند كه بتوان از هيدروژن به عنوان سوخت در خودروها استفاده كرد. آزمايشات انجام گرفته در ايستگاه فضايی بين المللی می‌تواند حركت به سوی اقتصاد مبتنی بر هيدروژن را تسريع كند. تصور كنيد براي سوخت‌گيری خودرویتان به سمت جايگاه سوخت رسانی حركت می‌كنيد، دهانه لوله سوخت‌رسانی را وارد مخزن سوخت خودرو می‌كنيد، اما سوختی كه مصرف می‌كنيد، از نوع سوخت‌های متداول نيست، بلكه هيدروژن است. هيدروژن گازی بی‌رنگ و بی‌بو است كه از سوختن آن فقط بخار آب حاصل می‌شود كه سريع و بدون هيچ خطری توسط محيط اطراف جذب می‌شود. يك كيلوگرم از هيدروژن تقريباً سه برابر همين ميزان بنزين انرژی آزاد می‌كند. و اين در حالی است كه هيدروژن فراوان‌ترين عنصر طبيعت محسوب می‌شود! پس جای تعجب نيست كه چرا دانشمندان در تلاش‌اند تا راهی بيابند كه بتوان از هيدروژن به عنوان سوخت در خودروها استفاده كنند. ال ساكو مدير مركز توليد مواد پيشرفته تحت جاذبه ضعيف (CAMMP) در دانشگاه بوستون كه زير نظر ناسا مشغول فعاليت است، در اين زمينه می‌گويد: «ده‌ها شركت از جمله بزرگ‌ترين شركت های سازنده خودرو، موتورهايی را طراحی كرده‌اند كه از هيدروژن به عنوان سوخت استفاده می‌كند. اين موتورها بسيار شبيه به موتورهای احتراق داخلی هستند كه ما امروزه به طور گسترده‌ای از آنها استفاده می‌كنيم. سلول‌های سوختی – يكی ديگر از منابع ممكن براي توليد نيرو در خودروها - نيز از هيدروژن استفاده می‌كنند. برای آنكه استفاده از اين فناوری‌ها در زندگی روزمره ممكن شود، لازم است دانشمندان راهی برای ذخيره‌سازی و انتقال ايمن هيدروژن بيابند كه از لحاظ هزينه به صرفه بوده، و با هزينه‌های استفاده از بنزين قابل مقايسه باشد.» اما انجام اين كار چندان هم آسان نيست. گاز هيدروژن سبك و فرار است. مولكول‌های كوچك H2 از طريق روزنه‌ها و شكاف‌ها و همچنين از طريق بست‌ها و شيرها بسيار سريع نشت می‌كنند و هنگامی كه از اين طريق خارج شدند خيلی زود تبخير می‌شوند. هيدروژن چهار برابر سريعتر از متان و ده برابر سريعتر از بخارهای بنزين نفوذ می‌كند. اين مسئله در مورد حفظ ايمنی دستگاه از اهميت بسيار زيادی برخوردار است، چرا كه قطرات هيدروژن بسيار سريع تبخير شده و در محيط پراكنده می‌شوند و می‌توانند ايمنی سيستم را به خطر اندازند. اين مسئله می‌تواند برای هر كسی كه می‌خواهد گاز هيدروژن را ذخيره كند، دردسرساز شود. هر چند كه هيدروژن مايع بسيار متراكمی است و ذخيره‌سازی آن آسان به نظر می‌رسد، اما در عين حال ذخيره كردن آن می‌تواند مشكلاتی را نيز به همراه داشته باشد. هيدروژن حدوداً در دمای 20 درجه كلوين (253 درجه سانتی‌گراد) مايع می‌شود. نگهداری از يك مخزن پر از هيدروژن مايع نيازمند استفاده از يك سيستم خنك‌كننده جانبی سنگين است، فعلاً استفاده از اين سيستم‌ها در خودروهای مسافربری معمولی مقدور نيست. هيدروژن مايع چنان سرد است كه حتی می‌تواند باعث منجمد شدن هوا نيز شود. اين امر می‌تواند به مسدود شدن شيرها و اتصالات منجر شود كه افزايش ناخواسته فشار را به همراه دارد. البته ممكن است گفته شود براي مقابله با انجماد هوا از سيستم‌های عايق‌كاری استفاده شود، اما اين كار نيز مشكلاتی را در پی دارد كه از جمله آنها می‌توان به افزايش وزن سيستم ذخيره‌سازی سوخت اشاره كرد. با اين تفاسير چگونه می‌توان بر مشكلات پيش‌رو غلبه كرد؟ ساده است: چند قطعه سنگ را در داخل مخزن سوخت قرا دهيد. البته در اين مورد نمی‌توان از سنگ‌های معمولی استفاده كرد، بلكه بايد از سنگ‌های ويژه‌ای كه زئوليت (Zeolite) نام دارند استفاده كرد. ساكو در تشريح خواص اين سنگ‌ها می‌گويد: «زئوليت‌ها موادی از جنس سنگ هستندكه بسيار متخلخلند و به همين دليل می‌توانند به عنوان اسفنج‌های مولكولی عمل كنند. زئوليت‌ها در شكل كريستالی خود به صورت شبكه گسترده‌ای از حفره‌ها و شكاف‌های به هم پيوسته در نظر گرفته می‌شوند كه بسيار شبيه كندوی زنبور عسل است. يك مخزن سوخت كه در ساختار آن از اين موارد كريستالی استفاده شده است، می‌تواند گاز هيدروژن را «در حالت شبه مايع و بدون نياز به سيستم‌های خنك‌كننده سنگين» به دام انداخته و در خود ذخيره كند. ساكو و همكارانش در نظر دارند، با استفاده از كمك‌های برنامه توسعه توليدات فضايی ناسا كه در مركز پروازهای فضايی مارشال مستقر است، ايده استفاده از زئوليت‌ها در مخزن سوخت را عملی سازند. نام زئوليت از كلمات يونانی «Zeo » به معنای سنگ و «lithos » به معنای جوشيدن مشتق شده است و معنای تحت اللفظی آن «سنگی كه می‌جوشد» است. اين نام را به اين دليل به اين سنگ‌ها اطلاق می‌كنند كه هنگامی كه تحت تاثير حرارت قرار می‌گيرند، محتويات خود را خارج می‌كنند. ساكو طرز كار مخزن‌های سوخت زئوليت‌دار كه در دما كنترل می‌شود را اين گونه شرح می‌دهد: «در ابتدا بايد مقداری يون‌های با بار منفی را به اين زئوليت‌ها بيافزاييم. اين يون‌ها مثل تشتك عمل می‌كنند، درست مثل درپوش دوات؛ و بدين ترتيب حفره‌های موجود در شبكه كريستالی را مسدود می‌كنند. می‌توان با حرارت دادن زئوليت به ميزان بسيار جزيی يون‌ها را از مقابل اين حفره‌ها به كناری راند. می‌توان زئوليت‌ها را از هيدروژن انباشته كرد و سپس دمای آن را به حالت عادی برگرداند، با اين كار يون‌ها به جای قبلی خود برمی‌گردند و مانع خروج محتويات حفره‌ها می‌شوند.» حدود 50 نوع زئوليت مختلف با تركيب شيميايی و ساختار كريستالی متفاوت در طبيعت يافت می‌شود، گذشته از اين شيميدان‌ها روش ساخت مصنوعی تعداد ديگری از آنها را دريافته‌اند. كسانی كه گربه دارند ممكن است با اين مواد آشنايی داشته باشند. چرا كه از اين مواد به عنوان بوگير در بستر حيوان استفاده می‌شود. ساكو خاطرنشان می‌سازد: «با استفاده از زئوليت‌های موجود می‌توان مقدار كمی از هيدروژن را ذخيره كرد، اما اين مقدار كافی نيست.» پس چه مقدار هيدروژن كافي است؟

تصور كنيد ديواره مخزن سوخت خودروی شما توسط سنگ‌های متخلخل و كريستالی پوشيده شده است و اين سنگ‌ها حدود 40 كيلوگرم وزن دارد. به جايگاه سوخت‌گيری مراجعه می‌كنيد و متصدی جايگاه حدود 5/3 كيلوگرم هيدروژن را به مخزن پوشيده از زئوليت خودروی شما تزريق می‌كند.از لحاظ نظری اين مقدار هيدروژن، هم از لحاظ وزنی و هم از لحاظ مقدار انرژی ذخيره شده در آن برابر مخزنی پر از بنزين است. ساكو خاطر نشان می‌سازد: «اگر بتوان كريستال‌هايی از زئوليت توليد كرد كه بتواند حدود 6 تا 6 درصد از وزن خود را، هيدروژن ذخيره كند، آن وقت يك مخزن زئوليتی پر از هيدروژن می‌تواند با يك مخزن معمولی پر از بنزين رقابت كند.» با اين همه بهترين زئوليت‌های موجود می‌توانند فقط 2 تا 3 درصد از وزن خود را هيدروژن ذخيره كنند. در سال 1995 ساكو به عنوان يكی از متخصصين يك ماموريت به وسيله شاتل فضايي، كلمبيا (sts-73) به فضا مسافرت كرد. هدف وی از اين ماموريت اين بود كه بتواند زئوليت‌هايی با كيفيت بهتر را در فضا توليد كند. «در محيط‌های با گرانش كم، مواد با سرعت بسيار كمتری گرد هم مجتمع می‌شوند و اين اثر باعث می‌شود كه كريستال‌های زئوليت به وجود آمده هم بزرگتر باشند و هم از نظم بيشتری برخوردار شوند.»

كريستال‌های زئوليت توليد شده در زمين بسيار كوچك هستند و ضخامت آنها در حدود 2 تا 8 ميكرون است. اين مقدار حدود يك دهم ضخامت موی انسان است. اما كريستال‌هايی را كه ساكو توانست در فضا تهيه كند هم ده مرتبه بزرگ‌تر بودند و هم ساختار داخلی مناسب‌تری داشتند و اين شروع مسرت بخشی بود. ساكو می‌گويد: «مراحل بعدی كار را بايد در ايستگاه فضايی بين‌المللی انجام داد.» ساكو و همكارانش يك كوره توليد كريستال‌های زئوليت ساخته اند، كه در ابتدای سال 2002 در ايستگاه فضايی بين المللی نصب شده است. كن بوور ساكس فرمانده يكی از ماموريت‌های ايستگاه فضايی بين المللی از اين كوره برای توليد چند نمونه از كريستال‌ها استفاده كرده است. كن در حين كار مجبور بود بعضی از مشكلات غيرمنتظره به وجود آمده هنگام اختلاط محلول‌های بكار رفته در رشد كريستال‌ها را حل كند - اين امر ارزش حضور انسان در هنگام آزمايشات فضايی را نشان می‌دهد - اما از آن پس آزمايشات مربوط به اين گونه كريستال‌ها با سرعت كمتری به پيش می‌رود. ساكو می‌گويد در مرحله بعد بايد كريستال‌های توليد شده در فضا را به زمين منتقل كرد و آزمايشات مربوطه را روی آنها انجام داد. البته وی خاطرنشان می‌سازد كه هدف آنها توليد انبوه كريستال‌های زئوليت در فضا نيست، چرا كه اين كار - حداقل فعلاً - مقرون به صرفه نيست. وی می‌گويد ما فقط می‌خواهيم دريابيم آيا می‌توان زئوليت‌هايی را ساخت كه بتوانند هفت درصد از وزن خود را هيدروژن ذخيره كنند يا خير؟ اگر بتوان اين كار را در فضا انجام داد، آن وقت می‌توان با اتخاذ تدابير ويژه‌ای دريافت كه چگونه همين فرآيند را در زمين به گونه مشابهی انجام داد. در تمام طول دوره انجام اين تحقيقات ساكو در فكر تغيير مصرف سوخت و تحول جهانی از سوخت‌های فسيلی به سمت سوخت هيدروژنی بود. اين ايده رويايی بزرگ است اما می‌توان به آن دست يافت. زئوليت‌ها می‌توانند به عنوان نكته كليدی برای استفاده از سوخت هيدروژن و رد شدن از سد مشكلات فناوری محسوب شوند.