ابداع یک راکتور برقی برای کاهش انتشار گازهای گلخانه‌ای صنعتی

در حال حاضر فرآیندهای صنعتی در آمریکا تقریبا یک سوم از انتشارات دی‌اکسید کربن را در این کشور تشکیل می‌دهند که حتی بیشتر از انتشار سالانه وسایل نقلیه مسافربری، کامیون‌ها و هواپیماهاست. کربن‌زدایی این بخش، یک گام چالش‌برانگیز اما حیاتی در کاهش اثرات دی‌اکسید کربن بر آب‌وهوای آینده به شمار می‌رود.

به نقل از استنفورد ریپورت، پژوهشگران دانشکده مهندسی «دانشگاه استنفورد» نوع جدیدی را از راکتور ترموشیمیایی طراحی کرده‌اند که می‌تواند مقادیر بسیار زیاد از گرمای مورد نیاز بسیاری از فرآیندهای صنعتی را با استفاده از برق به جای سوخت‌های فسیلی تولید کند. این راکتور کوچک‌تر، ارزان‌تر و کارآمدتر از فناوری‌های کنونی مبتنی بر سوخت‌های فسیلی است.

«جاناتان فن»(Jonathan Fan) دانشیار مهندسی برق در دانشگاه استنفورد و پژوهشگر ارشد این پروژه گفت: ما یک زیرساخت را برای راکتور الکتریکی و مقیاس‌پذیر مورد نیاز فرآیندهای ترموشیمیایی داریم که ویژگی‌های ایده‌آل را برای گرمایش و انتقال حرارت شامل می‌شود. ما عملکرد راکتور را از محدودیت‌های فیزیکی می‌گذرانیم و از برق سبز برای تامین انرژی آن استفاده می‌کنیم.

بیشتر راکتورهای حرارتی استاندارد با سوزاندن سوخت‌های فسیلی برای گرم کردن مایعی کار می‌کنند که به لوله‌های راکتور جریان می‌یابد اما این کار را با عایق بهتر و در دمای بسیار بالاتر انجام می‌دهند. این کار به زیرساخت نسبتا زیادی نیازمند دارد و فرصت‌های بسیاری برای از دست دادن گرما در طول مسیر وجود دارد.

راکتور برقی جدید از القای مغناطیسی برای تولید گرما استفاده می‌کند. گرمایش القایی به جای انتقال گرما از لوله‌ها، با بهره‌گیری از تعامل بین جریان‌های الکتریکی و میدان‌های مغناطیسی، گرما را در راکتور ایجاد می‌کند. برای مثال، اگر می‌خواهید یک میله فولادی را به صورت القایی گرم کنید، می‌توانید سیمی را دور آن بپیچید و جریان متناوب را از سیم عبور دهید. این جریان‌ها یک میدان مغناطیسی نوسانی ایجاد می‌کنند که به نوبه خود جریان را در فولاد القا می‌کند. از آنجا که فولاد رسانای کامل الکتریسیته نیست، مقداری از آن جریان به گرما تبدیل می‌شود. این روش به جای ایجاد گرما از بیرون به داخل، کل قطعه فولاد را به طور موثر و هم‌زمان گرم می‌کند.

تطبیق گرمایش القایی برای صنایع شیمیایی به سادگی افزایش گرما نیست. راکتورهای صنعتی باید به طور مساوی گرما را در یک فضای سه‌بعدی ایجاد و توزیع کنند و بسیار کارآمدتر از یک اجاق گاز معمولی باشند. پژوهشگران به این نتیجه رسیدند که می‌توانند کارآیی را با استفاده از جریان‌های فرکانس بالا که بسیار سریع متناوب می‌شوند، همراه با مواد راکتور که رسانای بد الکتریسیته هستند، به حداکثر برسانند.

فن خاطرنشان کرد که ساختار شبکه به اندازه خود ماده مهم است زیرا حفره‌های شبکه به طور مصنوعی رسانایی الکتریکی را حتی بیشتر کاهش می‌دهند. این فضاهای خالی را می‌توان با کاتالیزورها پر کرد که برای آغاز واکنش‌های شیمیایی باید گرم شوند. این امر باعث می‌شود که انتقال حرارت کارآمدتر شود و بدان معناست که رآاکتور برقی می‌تواند بسیار کوچک‌تر از راکتورهای سنتی سوخت فسیلی باشد.

فن ادامه داد: شما یک ساختار سطحی بزرگ را گرم می‌کنید که دقیقا در کنار کاتالیزور است. بنابراین گرمایی که تولید می‌کنید، خیلی سریع به کاتالیزور می‌رسد تا واکنش‌های شیمیایی را هدایت کند. به علاوه، همه چیز را ساده می‌کند. شما گرما را از جای دیگری منتقل نمی‌کنید و مقداری از آن را در طول راه از دست می‌دهید؛ هیچ لوله‌ای ندارید که به راکتور وارد و از آن خارج شود. همچنین، می‌توانید راکتور را کاملا عایق‌بندی کنید. این کار از دیدگاه مدیریت انرژی و هزینه ایده‌آل است.

پژوهشگران از این راکتور برای نیرو دادن به یک واکنش شیمیایی به نام «واکنش جابه‌جایی معکوس گاز آب» با استفاده از یک کاتالیزور پایدار جدید استفاده کردند که توسط «متیو کانان»(Matthew Kanan) استاد شیمی دانشگاه استنفورد و یکی از پژوهشگران این پروژه ساخته شده است. این واکنش که به حرارت بالا نیاز دارد، می‌تواند دی‌اکسید کربن جذب‌شده را به یک گاز باارزش تبدیل کند و از این گاز می‌توان برای ایجاد سوخت‌های پایدار استفاده کرد. در نمایش اثبات مفهوم، راکتور بیش از ۸۵ درصد کارآمد بود که نشان می‌دهد تقریبا همه انرژی الکتریکی را به گرمای قابل استفاده تبدیل می‌کند. همچنین، راکتور شرایط ایده‌آلی را برای تسهیل واکنش شیمیایی نشان داد. دی‌اکسید کربن با سرعت پیش‌بینی‌شده به گاز قابل استفاده تبدیل شد که اغلب در راکتورهای جدید صدق نمی‌کند.

فن گفت: همان طور که ما این راکتورها را بزرگ‌تر می‌کنیم یا آنها را در دماهای بالاتر به کار می‌گیریم، کارآیی آنها بیشتر می‌شود. این داستان برق‌رسانی است. ما فقط برای جایگزینی چیزهایی که داریم تلاش نمی‌کنیم، بلکه عملکرد بهتری را نیز به وجود می‌آوریم.

این پژوهش در مجله «Joule» به چاپ رسید.