اختراع محرك صوتي حراري لتحويل الطاقة الحرارية إلى كهرباء

لمعالجة قضية نقص موارد الطاقة في العالم وفي مصر على وجه الخصوص، كشف فريق بحثي بالجامعة الأمريكية بالقاهرة النقاب في مؤتمر صحفي اليوم عن اختراع محرك صوتي حراري (محرك حراري يعمل بظاهرة الصوت) من شأنه تحويل الطاقة الحرارية إلى طاقة صوتية لإنتاج الكهرباء في النهاية.

يتكون الفريق من الدكتور إيهاب عبد الرحمن، العميد المشارك للدراسات العليا والأبحاث بكلية العلوم والهندسة ومدير مركز يوسف جميل لأبحاث العلوم والتكنولوجيا، والدكتور حسني عمر، أستاذ الفيزياء بالجامعة، والدكتور كريم عداس، مدرس الفيزياء، إلى جانب الأساتذة الباحثين الدكتور عبد المجيد إبراهيم والدكتور أحمد عبد الرحمن وعشرة طلاب دراسات عليا.

ويشير عبد الرحمن أن الزيادة في الطلب على الطاقة ستؤدي إلى انخفاض في إنتاج الطاقة غير المتجددة (التي تشمل البترول والفحم والغاز الطبيعي)، مما سيجعل الحاجة للسيطرة على الطلب المتزايد على الطاقة غير المتجددة، لتعزيز التنوع الجغرافي وإمدادات الوقود و للتخفيف من حدة الانبعاثات الضارة بالمناخ، أمراً أكثر أهمية من أي وقت مضى.
وهناك نوعان من المحركات الصوتية الحرارية، محرك حراري (يطلق عليه أحياناً المحرك الأساسي)، حيث يتم تحويل الحرارة إلى طاقة صوتية والثاني مضخة حرارة أو تبريد حيث يمكن للصوت أن يرفع من درجة الحرارة.
ولأن هذه المحركات لديها عدد قليل أولا يوجد لديها أي أجزاء متحركة فإنها تتطلب صيانة قليلة و يمكن الاعتماد عليها تماماً ويمكن إنتاجها بدون تكلفة عالية. يقول عبد الرحمن: "هذه المميزات تجعلها جذابة للتطبيق في مجال توليد الطاقة عن بعد أو الطاقة المحمولة،" موضحاً أن في العديد من البلدان مثل مصر، توجد حاجة لتوليد الكهرباء في المناطق النائية التي لا يصلها إنتاج شبكة الكهرباء الرئيسية. "لو استطعنا تلبية هذه الحاجة في شكل من أشكال الطاقة المتجددة كالرياح والطاقة الشمسية، فإن هذا من شأنه أن يقلل من الحاجة للطاقة غير المتجددة ويضمن إمدادات منتظمة من الكهرباء يمكن الاعتماد عليها".

ويضيف عبد الرحمن أنه في العادة تستخدم المولدات لتوفير الكهرباء أثناء انقطاع التيار الكهربائي، وخاصة في المزارع، وفي المناطق خارج شبكات التغطية، حيث لا يوجد مصدر مدمج للطاقة مثل في مواقع البناء ورحلات التخييم.

وأشار إلى أن تشغيل هذه المولدات التقليدية تتطلب بنزين، أو وقود أخر، وهو مكلف ومصدر للطاقة غير المتجددة وتصدر عنه انبعاثات غازات ضارة تساهم في تلوث الهواء وتغير المناخ. أما المحرك الصوتي الحراري الذي أنتجه باحثو الجامعة الأمريكية بالقاهرة فهو يعمل بشكل صديق للبيئة مستخدماً الهواء أو الغاز النبيل.

جدير بالذكر أن أحد أكبر التحديات في العالم الحديث اليوم هو توليد الطاقة بتكلفة تنافسية، وهو ما يهدف له المحرك الصوتي الحراري. فطبقاً لعبد الرحمن فإن المحرك يستخدم مواد بسيطة ليس لها متطلبات خاصة، وتتوفر تجارياً بكميات كبيرة ورخيصة نسبياً. " كان العائق الرئيسي أمام تشجيع الطاقة المتجددة على مدى العقود القليلة الماضية هو التكلفة. فمتوسط تكلفة الطاقة التي تنتجها محركاتنا أرخص كثيراً من التقنيات المشابهة الأخرى."

بالإضافة إلى ذلك، يقوم المحرك الصوتي الحراري بالعمل بمعدل أعلى كفاءة متاحة. فطبقاً لقوانين الديناميكا الحرارية، هناك حد للكفاءة الحرارية في جميع المحركات الحرارية. "حتى أفضل محرك لن يكون قادراً على تحول 100 % من مدخلاته لحرارة،" مضيفاً أن العوامل التي تحد من ذلك هي درجة الحرارة التي تدخل الحرارة عندها المحرك ودرجة حرارة البيئة المحيطة التي يقوم المحرك بإخراج العادم فيها. ويسمى هذا الحد "كفاءة دورة كارنو".

ويقول عبد الرحمن: " لا يوجد جهاز أو محرك لتحويل الحرارة، أي كانت طريقة صنعه، يمكنه تجاوز هذه الكفاءة، بل أن هذا يمثل أقصى قدر من الكفاءة لأي دورة محرك. وبالرغم من ذلك، يمكن للمحرك الصوتي الحراري أن يعمل بالكفاءة الكاملة لكارنو."

ويمكن لهذا المحرك المبتكر أن يعمل بحرارة الشمس، أو أن يعمل بتطبيقات مشتركة للحرارة والطاقة والتي تحول النفايات الحرارية الصناعية إلى طاقة كهربائية. ولأنه لا يوجد لدى المحرك أجزاء متحركة فإن له فترة حياة طويلة و يمكن أن يعمل في درجات حرارة مرتفعة، مما يسمح لكفاءة كارنو أن تكون أعلى.

ويشير عبد الرحمن أن هذا يمكنه أن يمثل حلاً لمشكلة الطاقة في مصر مؤكداً على ضرورة الانتقال من الاستخدام واسع النطاق للطاقة غير المتجددة لمصادر الطاقة المتجددة. فالطاقة غير المتجددة تحتاج إلى ملايين السنين للتكوين ويجرى استنزاف الاحتياطي الخاص بها بمعدل أسرع بكثير من الطاقة الجديدة التي تتكون، بالإضافة إلى الانبعاثات الضارة للغازات السامة التي تنتج عن احتراقها. "لابد من التحرك نحو مصادر طاقة متجددة لتلبية الاحتياجات المتزايدة على الطاقة ولمواجهة التحديات البيئية العالمية".

يذكر أن أول كشف عن ظاهرة تحويل الحرارة إلى صوت كان في القرن التاسع عشر من قبل صانعي الزجاج الذين وجدوا أنه من الممكن إنتاج صوت عن طريق توصيل نهاية الأنبوب الزجاجي بمصدر حراري. وفي 1985 تمكن العالمان جون ويتلي و جي دابليو سويفت من تصميم وبناء أول جهاز صوتي حراري. وهناك نوعان من المحركات الصوتية الحرارية، محرك حراري (يطلق عليه أحياناً المحرك الأساسي)، حيث يتم تحويل الحرارة إلى طاقة صوتية والثاني مضخة حرارة أو تبريد حيث يمكن للصوت أن يرفع من درجة الحرارة.