تکنولوژی موتورهای الکترواستاتیک؛ راهکاری بدون نیاز به آهنربا و فلزات کمیاب
احتمالاً بدون کمک مستقیم دهها موتور الکتریکی نمیتوانید روزی عادی را سپری کنید. این موتورها در تمام وسایل شما که با دست نمیچرخند، در سیستمهای کنترل دمایی که راحتی شما را تأمین میکنند و در پمپها، فنها و کنترلهای پنجرههای خودروی شما وجود دارند. و اگرچه انواع مختلفی از الکتروموتورها وجود دارد، اما همه آنها، از موتور کششی ۲۰۰ کیلوواتی خودروی الکتریکی شما گرفته تا موتور پلهای ساعت مچی کوارتزی، از یک پدیده فیزیکی مشابه بهره میبرند: الکترومغناطیس.
با این حال، مهندسان دهههاست که مجذوب مزایای موتورهایی هستند که بر اساس یک اصل کاملاً متفاوت، یعنی الکترواستاتیک، کار میکنند. طبق تحلیلهای مبتنی بر آزمایش، این موتورها میتوانند در برخی کاربردها بهرهوری کلی را بین ۳۰ درصد تا نزدیک به ۱۰۰ درصد افزایش دهند. و شاید بهتر از آن، این موتورها تنها از مواد ارزان و فراوان استفاده میکنند، نه عناصر کمیاب، آلیاژهای خاص فولادی و مقدار زیادی مس که در موتورها سنتی به کار میرود.
«الکتریکیسازی با چالشهای پایداری خود همراه است»، دانیل لودویس، استاد مهندسی برق در دانشگاه ویسکانسین در مدیسون، توضیح میدهد. اما «یک موتور الکترواستاتیک به سیمپیچها، آهنرباها و هیچیک از مواد ضروری که یک ماشین معمولی به آن نیاز دارد، نیازی ندارد.»
این مزایا باعث شد لودویس یک شرکت به نام C-Motive Technologies تأسیس کند تا موتورهای الکترواستاتیکی در مقیاس ماکرو تولید کند. او میگوید: «ما ماشینهای خود را از آلومینیوم و پلاستیک یا فایبرگلاس میسازیم.» نمونهی اولیه کنونی آنها میتواند تا ۱۸ نیوتن متر گشتاور و ۳۶۰ وات (۰.۵ اسب بخار) قدرت تولید کند—ویژگیهایی که به گفته آنها «بالاترین مقادیر گشتاور و قدرت برای هر ماشین الکترواستاتیکی چرخان» است.
بزرگتر کردن موتورهای الکترواستاتیک
این ماشین که صدها برابر قویتر از هر موتور الکترواستاتیک قبلی است، به گفته نویسندگان «در مقیاس اسب بخار کسری (Fractional Horsepower) با ماشینهای مغناطیسی با خنککننده هوا رقابت میکند یا حتی برتر است.» طبق گزارش شرکت مشاوره Business Research Insights، بازار جهانی برای موتورهای کسری اسب بخار بیش از ۸.۷ میلیارد دلار ارزش دارد.
رسیدن به مقیاس ماکرو آسان نبوده است. موتورهای الکترواستاتیک سالهاست که در دسترس هستند، اما امروزه اینها واحدهای کوچکی با خروجی قدرت در حد میلیوات هستند. فیلیپ کرین، استاد مهندسی برق در دانشگاه ایلینوی اوربانا-شمپین، میگوید: «موتورهای الکترواستاتیک فوقالعاده هستند وقتی به مقیاس میلیمتری یا کوچکتر برسند، و هرچه کوچکتر شوند بهتر عمل میکنند.» او اضافه میکند: «یک نقطه تلاقی وجود دارد که در آن موتورهای الکترواستاتیک از موتورهای مغناطیسی بهتر میشوند.»
با این حال، برای موتورهای بزرگتر، قضیه برعکس است. لودویس میگوید: «در مقیاس ماکرو، الکترومغناطیس پیروز میشود؛ این جواب در کتابهای درسی است.» او اضافه میکند: «خب، ما تصمیم گرفتیم که این دیدگاه را به چالش بکشیم.»
در این جستجو، او و تیمش از یکی از دستاوردهای کمتر شناختهشده یکی از بنیانگذاران ایالات متحده الهام گرفتند. کرین میگوید: «واقعیت این است که بنجامین فرانکلین در سال ۱۷۴۷ یک موتور الکترواستاتیک در مقیاس ماکرو ساخت و آن را به نمایش گذاشت. او واقعاً از این موتور به عنوان سیخ چرخان برای کباب کردن بوقلمون در کنار رودخانهای در فیلادلفیا استفاده کرد» (این واقعیت توسط تاریخنگار فقید، ای. برنارد کوهن، در کتابش به نام علم بنجامین فرانکلین در سال ۱۹۹۰ کشف شده است).
کرین توضیح میدهد که چالش اصلی در تلاش برای بزرگکردن مقیاس موتورهای الکترواستاتیک تا دنیای ماکرو، چگالی انرژی است. او میگوید: «چگالی انرژی که میتوان در هوا در مقیاس معقولی با یک سیستم میدان الکتریکی به دست آورد، بسیار، بسیار کمتر است—چندین مرتبه کمتر—از چگالی که با یک سیستم الکترومغناطیسی میتوان به دست آورد.» در اینجا عبارت «در هوا» به حجم داخل موتور اشاره دارد، که شکاف هوا نامیده میشود؛ جایی که میدانهای موتور (مغناطیسی برای موتورهای معمولی و الکتریکی برای موتورهای الکترواستاتیک) مستقر میشوند. این شکاف بین اجزای کلیدی موتور یعنی روتور و استاتور قرار دارد.
بیایید این موضوع را باز کنیم. یک موتور الکتریکی معمولی کار میکند چون یک میدان مغناطیسی چرخان که در یک ساختار ثابت به نام استاتور ایجاد شده است، با میدان مغناطیسی ساختار دیگری به نام روتور درگیر میشود و باعث چرخش آن میشود. نیروی دخیل در این فرآیند نیروی لورنتس نام دارد. اما چیزی که یک ماشین الکترواستاتیک را به حرکت درمیآورد، نیرویی کاملاً متفاوت به نام نیروی کولن است. این نیرو، نیروی فیزیکی جاذبه یا دافعه بین بارهای الکتریکی مخالف یا مشابه است.
حل مشکل شکاف هوا
موتور شرکت C-Motive از دیسکهای روتور و استاتور غیررسانا استفاده میکند که روی آنها تعداد زیادی رساناهای نازک و نزدیک به هم قرار داده شده که به صورت شعاعی از مرکز دیسک به بیرون پراکنده شدهاند، شبیه به پرههای یک چرخ دوچرخه. بارهای الکترواستاتیکی که به طور دقیق زمانبندی شدهاند، به این «پرهها» اعمال میشوند و دو موج ولتاژ ایجاد میکنند؛ یکی در استاتور و دیگری در روتور. اختلاف فاز بین موجهای روتور و استاتور به گونهای تنظیم و کنترل میشود که گشتاور روتور را که توسط این دنباله جاذبه و دافعه بین پرهها ایجاد میشود، به حداکثر برساند. برای افزایش هرچه بیشتر گشتاور، این ماشین به صورت لایهلایه شامل نیم دوجین روتور و استاتور است که بهصورت متناوب روی هم قرار گرفتهاند، شبیه به دیسکهای فشرده روی یک محور.
ین دستگاه اگر دیالکتریک بین بارها هوا باشد، ضعیف خواهد بود. هوا به عنوان یک دیالکتریک، ثابت دیالکتریک پایینی دارد، به این معنی که یک میدان الکتریکی در هوا نمیتواند انرژی زیادی ذخیره کند. هوا همچنین دارای استحکام میدان شکست نسبتاً پایینی است، به این معنی که فقط میتواند میدان الکتریکی ضعیفی را تحمل کند قبل از اینکه تجزیه شود و جریان الکتریکی را در یک قوس پرنور هدایت کند.
بنابراین، یکی از بزرگترین چالشهای تیم، تولید مایعی دیالکتریک بود که دارای ثابت دیالکتریک و استحکام میدان شکست بسیار بالاتری نسبت به هوا باشد، و همچنین دوستدار محیط زیست و غیرسمی باشد. برای کاهش اصطکاک، این مایع باید ویسکوزیته بسیار پایینی نیز داشته باشد، زیرا روتورها در این مایع میچرخند. دیالکتریک با ثابت دیالکتریک بالا، میدان الکتریکی بین الکترودهای با بار مخالف را متمرکز میکند و به ذخیره انرژی بیشتر در فضای بین آنها کمک میکند.
پس از بررسی صدها گزینه طی چند سال، تیم C-Motive موفق به تولید یک مایع دیالکتریک آلی با ویسکوزیته کم و ثابت دیالکتریک نسبی در محدوده ۲۰ شد. برای مقایسه، ثابت دیالکتریک نسبی هوا برابر با ۱ است.
چالش دیگر، تأمین ولتاژ ۲۰۰۰ ولت مورد نیاز برای عملکرد دستگاه بود. ولتاژهای بالا برای ایجاد میدانهای الکتریکی شدید بین روتورها و استاتورها ضروری هستند.
برای کنترل دقیق این میدانها، تیم C-Motive با بهرهگیری از الکترونیک قدرت ارزان و بسیار پیشرفته، یک سیستم درایو بر پایه ترانزیستورهای دو قطبی با گیت عایق ۴.۵ کیلوولت طراحی کرد.
پیشرفت سریع در نیمههادیهای قدرت به آنها انتخابهای متنوع و جذابی را میدهد و در آینده نزدیک گزینههای بیشتری نیز در دسترس خواهد بود.
لودویس گزارش میدهد که C-Motive در حال آزمایش یک موتور ۷۵۰ واتی (۱ اسب بخار) برای مشتریان بالقوه است.
موتورهای بعدی آنها در محدوده ۷۵۰ تا ۳۷۵۰ وات (۱ تا ۵ اسب بخار) خواهند بود. این موتورها به اندازه کافی قدرتمند خواهند بود تا در طیف گستردهای از کاربردها، از جمله اتوماسیون صنعتی، تولید و سیستمهای گرمایشی، تهویه مطبوع و تهویه استفاده شوند.
لودویس میگوید: «برای من، نقطهای از افتخار خلاقانه این است که تیم من و من روی چیزی بهکلی متفاوت کار میکنیم که امیدوارم در درازمدت به دیگران نیز فرصت مشارکت در این زمینه را بدهد.»
در این خلاصه، تلاش شده است که استنباط نویسنده از مقاله اصلی درباره تکنولوژی موتورهای الکترواستاتیک و قابلیتهای بالقوه آنها در صنعت به صورت مختصر بیان شود:
در این مقاله به بررسی موتورهای الکترواستاتیک، یک فناوری نسبتاً جدید و متفاوت از موتورهای الکترومغناطیسی معمولی پرداخته شده است. با وجود اینکه موتورهای الکتریکی در زندگی روزمره و صنایع مختلف نقش اساسی دارند، از خودروهای برقی گرفته تا لوازم خانگی و سیستمهای تهویه، همگی بر اساس اصول الکترومغناطیسی عمل میکنند.
با این حال، موتورهای الکترواستاتیک که بر پایه نیروی کولن (جذب و دفع الکتریکی بین بارها) کار میکنند، به عنوان جایگزینی کارآمدتر و دوستدار محیط زیست مطرح شدهاند.
این موتورها به جای استفاده از مواد کمیاب و گرانقیمت مثل آهنرباها و فلزات کمیاب، با موادی سادهتر و ارزانتر همچون آلومینیوم و پلاستیک ساخته میشوند و حتی تا ۳۰ تا ۱۰۰ درصد کارایی بالاتری در برخی کاربردها ارائه میدهند. تیم مهندسان شرکت C-Motive به سرپرستی دنیل لودویس، موفق به تولید موتورهای الکترواستاتیکی در مقیاس بزرگ شدند که قادر به تولید گشتاور و توان بالا برای کاربردهای صنعتی هستند.
یکی از چالشهای اصلی ساخت این موتورها، استفاده از دیالکتریک (عایق) با ویژگیهایی مانند چگالی انرژی بالا و مقاومت در برابر شکست الکتریکی بود، که پس از بررسی صدها مایع مختلف، سرانجام به یک دیالکتریک مناسب با پایداری بالا و سازگار با محیط زیست دست یافتند. این موتورها نیاز به ولتاژ بالا دارند تا بتوانند میدانهای الکتریکی قوی لازم را ایجاد کنند و به همین دلیل از تکنولوژیهای نوین نیمههادی و ترانزیستورهای جدید استفاده کردهاند.
اکنون C-Motive در حال آزمایش موتورهای ۷۵۰ وات با مشتریان احتمالی است و قصد دارد موتورهای قدرتمندتری تا ۵ اسب بخار تولید کند، که میتوانند در صنایع اتوماسیون، تولید و سیستمهای تهویه کاربرد داشته باشند. لودویس معتقد است این فناوری میتواند مسیرهای جدیدی را برای تحقیقات و نوآوریهای آتی باز کند و به صنعتی سبزتر و پایدارتر کمک کند.