سنگی که می‌جوشد

تصور کنید برای سوخت گیری خودرویتان به جایگاه سوخت رسانی نزدیک شده‌اید. دهانه لوله سوخت رسانی را به مخزن سوخت خودرو وارد کرده‌اید، اما سوختی که مصرف می‌کنید، از نوع سوخت‌های متداول نیست بلکه هیدروژن است؛ گازی بی رنگ و بی بو که از سوختن آن فقط بخار آب حاصل می شود که سریع و بدون هیچ خطری در محیط اطراف پراکنده می‌شود. برای نزدیک شدن به این رویای دست یافتنی باید به تحقیقات فضایی امیدوار باشیم.
هیدروژن فراوان ترین عنصر طبیعت است و هر کیلوگرم از آن تقریباً سه برابر همان مقدار بنزین انرژی آزاد می‌کند. پس جای تعجب نیست که دانشمندان در تلاش‌اند تا راهی بیابند که بتوان از هیدروژن به عنوان سوخت در خودروها استفاده کرد. ده‌ها شرکت از جمله بزرگ‌ترین شرکت‌های سازنده خودرو، موتورهایی را طراحی کرده اند که از هیدروژن به عنوان سوخت استفاده می‌کنند.
این موتورها به موتورهای احتراق داخلی که ما امروزه به طور گسترده ای از آنها استفاده می‌کنیم شباهت زیادی دارند. اما برای این که بتوانیم از این فناوری جدید در زندگی روزمره استفاده کنیم، لازم است دانشمندان راهی برای ذخیره سازی و انتقال ایمن هیدروژن پیدا کنند که از لحاظ هزینه به صرفه و با هزینه های استفاده از بنزین قابل مقایسه باشد.
انجام این کار چندان هم آسان نیست. گاز هیدروژن سبک و فرار است. مولکول‌های کوچک H۲ از طریق روزنه ها و شکاف ها و همچنین از طریق بست ها و شیرها به سرعت نشت می کنند و پس از خارج شدن خیلی زود تبخیر می شوند. هیدروژن چهار برابر از متان و ده برابر از بخارهای بنزین سریع تر نفوذ می کند. این مسئله در مورد حفظ ایمنی دستگاه از اهمیت بسیار زیادی دارد، چرا که قطره های هیدروژن به سرعت تبخیر می شوند، در محیط پراکنده می‌شوند و ایمنی سیستم را به خطر می اندازند. این مسئله می تواند برای هر کسی که می‌خواهد گاز هیدروژن را ذخیره کند، دردسر ساز شود.
هیدروژن مایع بسیار متراکم است و ذخیره‌سازی آن آسان به نظر می‌رسد. با وجود این ذخیره کردن آن می تواند مشکلاتی را نیز به همراه داشته باشد. هیدروژن حدوداً در دمای ۲۰ درجه کلوین (۲۵۳ درجه سانتی گراد) مایع می شود. نگهداری از یک مخزن پر از هیدروژن مایع نیازمند به دستگاه خنک کننده جانبی سنگینی نیاز دارد که در شرایط کنونی استفاده از این آن در خودروهای مسافربری معمولی مقدور نیست. هیدروژن مایع چنان سرد است که حتی می‌تواند باعث منجمد شدن هوا نیز شود.
این امر می تواند به مسدود شدن شیرها و اتصالات منجر شود که افزایش ناخواسته فشار را به همراه دارد. البته ممکن است گفته شود برای مقابله با انجماد هوا از عایق کاری استفاده شود، اما این کار نیز مشکلاتی را در پی دارد که از جمله آنها می‌توان به افزایش وزن دستگاه ذخیره سازی سوخت اشاره کرد.
با این تفاسیر چگونه می‌توان بر مشکلات پیش رو غلبه کرد؟ ساده است چند قطعه سنگ داخل مخزن سوخت قرار دهید.
البته در این مورد نمی توان از سنگ های معمولی استفاده کرد بلکه باید از سنگ‌های ویژه‌ای که زئولیت (Zeolite) نام دارند استفاده کرد. زئولیت‌ها موادی از جنس سنگ هستند که بسیار متخلخل‌اند و به همین دلیل می‌توانند به عنوان اسفنج‌های مولکولی عمل کنند.
زئولیت‌ها در شکل کریستالی خود به صورت شبکه گسترده‌ای از حفره ها و شکاف های به هم پیوسته در نظر گرفته می‌شوند که بسیار شبیه کندوی زنبور عسل است. یک مخزن سوخت که در ساختار آن از این مواد کریستالی استفاده شود، می تواند گاز هیدروژن را «در حالت شبه مایع و بدون نیاز به سیستم های خنک کننده سنگین» به دام اندازد و در خود ذخیره کند.
نام زئولیت از کلمات یونانی «Zeo » به معنای جوشیدن و «lithos » به معنای سنگ مشتق شده است و معنای تحت اللفظی آن «سنگی که می‌جوشد» است. این نام را به این دلیل به این سنگ اطلاق می کنند که هنگامی که تحت تاثیر حرارت قرار می‌گیرند، محتویات خود را خارج می کنند.
در ابتدا باید مقداری یون های با بار منفی به این زئولیت‌ها بیافزاییم. این یون‌ها مثل تشتک عمل می‌کنند( درست مثل درپوش دوات) و حفره‌های موجود در شبکه کریستالی را مسدود می‌کنند. می‌توان با حرارت دادن زئولیت به میزان بسیار جزیی یون ها را از مقابل این حفره‌ها به کناری راند. می توان زئولیت‌ها را از هیدروژن انباشته کرد و سپس دمای آن را به حالت عادی برگرداند، با این کار یون‌ها به جای قبلی خود بر می گردند و مانع خروج محتویات حفره‌ها می‌شوند.»
حدود ۵۰ نوع زئولیت مختلف با ترکیب شیمیایی و ساختار کریستالی متفاوت در طبیعت یافت می‌شود، گذشته از این شیمیدان‌ها روش ساختن مصنوعی تعداد دیگری از آنها را دریافته‌اند. کسانی که گربه دارند ممکن است با این مواد آشنایی داشته باشند. چرا که از این مواد به عنوان بو گیر در بستر حیوان استفاده می‌شود.
با استفاده از زئولیت‌های فعلی می‌توان مقدار اندکی هیدروژن ذخیره کرد و این مقدار کافی نیست. تصور کنید دیواره مخزن سوخت خودروی شما توسط سنگ‌های متخلخل و کریستالی پوشیده شده است و این سنگ ها حدود ۴۰ کیلوگرم وزن دارند. به جایگاه سوخت گیری مراجعه می‌کنید و متصدی جایگاه حدود ۵/۳ کیلوگرم هیدروژن را به مخزن پوشیده از زئولیت خودروی شما تزریق می‌کند. از لحاظ نظری این مقدار هیدروژن، هم از لحاظ وزنی و هم از لحاظ مقدار انرژی ذخیره شده در آن با مخزنی پر از بنزین برابر است. اما در عمل اندکی فرق می‌کند
اگر بتوان کریستال‌هایی از زئولیت تولید کرد که حدود ۶ تا ۶ درصد از وزن آنها را هیدروژن ذخیره شده تشکیل دهد، آن وقت یک مخزن زئولیتی پر از هیدروژن می تواند با یک مخزن معمولی پر از بنزین رقابت کند. اما بهترین زئولیت های موجود می توانند فقط ۲ تا ۳ درصد از وزن خود را هیدروژن ذخیره کنند.
در سال ۱۹۹۵ ال ساکو با شاتل فضایی کلمبیا (STS-۷۳) به فضا مسافرت کرد. هدف وی از این ماموریت این بود که بتواند زئولیت‌هایی با کیفیت بهتر در فضا تولید کند. در محیط های با گرانش کم، مواد با سرعت بسیار کمتری گرد هم جمع می‌شوند و این اثر باعث می‌شود کریستال‌های زئولیت به وجود آمده هم بزرگ تر باشند و هم نظم بیشتری داشته باشند.»
کریستالهای زئولیت تولید شده در زمین بسیار کوچک هستند و ضخامت آنها حدود ۲ تا ۸ میکرون است. این مقدار حدود یک دهم ضخامت موی انسان است. اما کریستال‌هایی که ساکو توانست در فضا تهیه کند هم ده مرتبه بزرگ تر بودند و هم ساختار داخلی مناسب‌‌تری داشتند و این شروع مسرت بخشی بود.
مراحل بعدی کار را باید در ایستگاه فضایی بین المللی انجام داد. ساکو و همکارانش کوره تولید کریستال‌های زئولیت ساخته‌اند که در ابتدای سال ۲۰۰۲ در ایستگاه فضایی بین المللی نصب شد. کن بوور ساکس فرمانده یکی از ماموریت‌‌های ایستگاه فضایی بین المللی از این کوره برای تولید چند نمونه کریستال استفاده کرده است. کن حین کار مجبور بود بعضی از مشکلات غیرمنتظره را که هنگام اختلاط محلول‌های لازم برای رشد کریستال‌ها به وجود می‌آمد؛ حل کند - این امر ارزش حضور انسان در هنگام آزمایشات فضایی را نشان می دهد.
متاسفانه، آزمایشات مربوط به این کریستال‌ها با سرعت کمتری به پیش می‌رود. ساکو می‌گوید در مرحله بعد باید کریستال‌های تولید شده در فضا را به زمین منتقل کرد و آزمایشات مربوطه را روی آنها انجام داد. البته وی خاطرنشان می سازد که هدف آنان تولید انبوه کریستال های زئولیت در فضا نیست، چرا که این کار - حداقل فعلاً - مقرون به صرفه نیست. وی می‌گوید ما فقط می خواهیم دریابیم آیا می توان زئولیت هایی را ساخت که بتوانند هفت درصد از وزن خود را هیدروژن ذخیره کنند یا خیر؟ اگر بتوان این کار را در فضا انجام داد، آن وقت می‌توان با اتخاذ تدابیر ویژه‌ای دریافت که چگونه همین فرآیند را به گونه مشابهی در زمین انجام داد.
ساکو در تمام طول دوره انجام این تحقیقات در فکر تغییر مصرف سوخت و تحول جهانی از سوخت‌های فسیلی به سمت سوخت هیدروژنی بود. این رویای بزرگی است اما می‌توان به آن دست یافت. زئولیت ها می‌توانند به عنوان نکته کلیدی در بهره‌گیری از سوخت هیدروژن و رد شدن از سد مشکلات فناوری محسوب شوند. به زودی این ایده فراگیر خواهد شد، آن وقت احتمالاً کسی از شما خواهد پرسید: «آیا در این نزدیکی جایگاه سوخت هیدروژن وجود دارد؟»

مترجم: آقای سلیمان فرهادیان

منبع : جزیره دانش