المحركات وتطويرها: نظرة مستقبلية – د. عماد ناجي الشافعي*

الابتكارات في الطاقة والمحركات هي نتاج الجهود المستمرة من قبل العلماء والباحثين منذ 1700 ميلادي الى القرن العشرين في التطوير والابتكارات. فالكثيرمن الابتكارات الناجحة ناتجة من إعادة تطوير الاختراعات والمفاهيم القديمة لإنتاج الطاقة بطرق جديدة وحديثة.

فنجد مثلاً سيارات تيسلا الكهربائية (Tesla) هي نتاج لإعادة تطبيق مفاهيم ميكانيكة سابقة منذ عام 1887 للعالم المبتكر نيقولا تيسلا في الطاقة الحركية الحرة للمحرك (Induction motor) والتي تعتمد على استهلاك القليل من الكهرباء لتشغيل المحرك الأقل وزناً. وتكمن أهمية التطوير لهذه الابتكارات في الطاقة في إعادة تطوير تصاميم المحركات للمساهمة في انتاج الطاقة الحركية بشكل اقتصادي واستغلالها لحماية البئية من الملوثات الناتجة عن احتراق المواد الكربونية وتوفيرالطاقة بالطرق الدائمة والآمنة.

وفي استطلاع (2) لقناة سي أن بي اس (CNBC) تبين أن السيارات الكهربائية التي تعمل بالطاقة الحركية الحرة للمحرك (Induction motor) هي الأقل عدداً في قطع الغيار في المكونات الميكانيكية (50-150 جزء) مقارنة مع السيارات التى تعتمد على احتراق الوقود في التشغيل حيث تتكون من 1000-2000 قطعة غيار كما هو موضح في الصورة أدناه.

كما نجد أيضاً سيارات بيجو الفرنسية لديها نموذج اختباري من السيارات المزدوجة المحرك (ِAir-hybrid) التى تسير بواسطة اسطوانات الهواء وكذلك البنزين والتي صممت من قبل عشر سنوات. واكتفت الشركة بالعرض في هذا النموذج من السيارات والتى يُعتقد أنها تستخدم الطاقة الحركية للسيارات على تصميمات توربينات تيسلا بدون شفرات والتى صُمِمت في عام 1906 (Bladeless Turbine) مع محرك كهربائي في خلف السيارة. وفي حالة طرح هذا الموديل وتطويره إلى نموذج مزدوج يعتمد على الكهرباء لتشغيل المحركات (Induction motor) والاستفادة من الهواء المضغوط لتشغيل المحرك (Bladeless Turbine) للشحن الذاتي للبطاريات الكهربائية، ستكون المركبة أخف وزناً وتكلفة و قد يُغني السائق عن شحن السيارة أثناء القيادة او إيصالها بالتيار الكهربائي.

علماً أن محركات السيارات الكهربائية قد تعمل بالتيار الغير مباشر (AC) أو محركات بالتيار المباشر (DC). السيارات الكهربائية التى تعمل محركاتها بالتيار الغير مباشر (AC) هي الاكثر استعمالاً لمصانع السيارات الكبيرة نظراً لقوة دفع المحرك وسرعة السيارة.

وتتكون السيارات من أربعة عناصر مهمه وهي القير و وحدة تخزين البطاريات والمحول الكهربائي (Invertor) الذي يحول التيار المباشر (DC) من البطاريات الى التيار الغير مباشر (AC). وتستخدم أغلب السيارات الكهربائية مثل تيسلا للسيارات وآخرين محركات كهربائية من نوعية (Induction motor) لخفة وزنها وعدم احتياجها للصيانة الدورية كما أن لها ضمان أكثر من عشرة سنوات. اضافةً إلى أن هذه المحركات الكهربائية قوية و مربوطه بالقير لتدوير عجلات السيارة الخلفية. ويمكن استخدام محركات أخرى لتشغيل محركات السيارات مثل (synchronous motor) أو (permanent magnet motor) التي تعتبر ذا كفاءة عالية من غيرها، إلا أنها غير مفضله لصانعي السيارات الكهربائية نظراً لحاجتها للصيانة الدورية ⁽⁴⁾.

أما بالنسبة للمحركات التى تعمل بالتيار المباشر (DC) كمحركات السيارات الصغيرة او توربينات الرياح الصغيرة، فنجد أن لها عدة أنواع: (1) brushed DC motor و (2) BLDC brushless DC motor و (3) stepper motor. ويعتبر النوعان الثاني والثالث هما الأعلى في الكفاءة الميكانيكية لتشغيل المحركات باستخدام التيار الغير مباشر والأقل صيانة والأفضل لتشغيل السيارات الصغيرة.

وفي المستقبل قد نرى بعض السيارات و التوربينات الكهربائية التى تعمل بالهواء المضغوط لتشغيل وتوليد وتخزين الطاقة بواسطة المحركات بدون الشفرات (Bladeless Turbine). وقد أعاد المهندس فولو هورد تصميم تيسلا للمحرك واضافته إلى مولدات الكهرباء التى تسخدم طاقة الرياح وربطها ببراءة اختراع رقم US7695242 وهذا يمكن أن يساهم في مضاعفة الطاقة الكهربائية المنتجة من الرياح.

ويمكن أن نستنتج مما سبق أن الابتكارات والتطوير المستمر للمحركات سيكون نافعاً لكثير من الآليات المتحركة والثابتة والمضخات لإنتاج وتخزين الطاقة. وسيكون لها منفعه اقتصادية في حالة تطويرها واعادة تصميمها لملائمتها مع الطاقة المتجددة وتوفيرها بشكل دائم مع المحافظة على البيئة وتقليل التلوث البيئي العالمي.

*دكتوراه في الهندسة الكيميائية

المصادر:

1. https://www.youtube.com/watch?v=3SAxXUIre28 How does an Electrical car work (Tesla)?
2. https://www.cnbc.com/2016/06/14/electric-vehicles-will-soon-be-cheaper-than-regular-cars-because-maintenance-costs-are-lower-says-tony-seba.html?utm_source=ReVision+Energy+List&utm_campaign=986309285b-Sept-2017-Maine&utm_medium=email&utm_term=0_893c35417a-986309285b-381284273
3. https://www.autoevolution.com/news/how-peugeot-citroen-s-hybrid-air-system-explained-the-car-that-runs-on-air-57554.html
4. https://www.primecom.tech/blogs/news/what-types-of-motors-are-used-in-electric-vehicles
5. Fuller, Howard J. “Wind turbine for generation of electric power.” U.S. Patent No. 7,695,242. 13 Apr. 2010.