برای مشاهده ویدیوی «خلاصه تصویری» این اختراع اینجا کلیک نمائید
◉ مقدمه و اهداف:
هر سال که سپری می شود اشتیاق بشر برای عدم استفاده از انرژی های تجدید ناپذیر و تکیه محض به انرژی های پاک و تجدید پذیر با ظهور ابداعات, روشها و اختراعات جدید بیشتر نمایان می شود. ایده ای که در این مقاله در قالب ابداعی کاربردی به اشتراک گذاشته ام نیز یکی از همان تلاش های دوستدار محیط زیست است تا بتوانیم با تنوع و تعدد روش های حصول انرژی پاک, سرعت توجه به این حرکت مفید را در دنیا بیشتر کنیم. برای پیدا کردن روش های مختلف تولید انرژی پاک, کافی است که با دقت به جهان ماده در اطراف خود نگاه کنیم و هر رخداد و متغیر تاثیر گذار در ماده را رصد و ساختار تشکیل دهنده آن را شکسته, آنالیز و یاداشت بر داری کنیم. در این یاداشت های گوناگون متشکل از جزئیات چگونگی تغییرات شیمیایی و برهم کنش های فیزیکی قطعا روابطی از جنس مدل های ریاضی وجود دارد که می تواند به ما کمک کند یک پل ارتباطی بین چند رخداد مختلف بعنوان یک مدل فیزیکی جدید تعریف کرده و با ابداع روش های جدید به نتایج شگفت انگیزی در تولید انرژی دست یابیم.
یکی از مواد سیال در طبیعت که دارای رخداد های فیزیکی و شیمیایی بسیار ارزشمندی در مولکول ها و اتم های خود است آب می باشد. مولکول های آب در مقابل تنش برشی تغییرات فیزیکی پیرامون خود واکنش نشان داده و تغییر شکل ممتد میدهند و بعنوان یک سیال بصورت پیوسته به این حرکت و تغییر شکل ادامه می دهد. علیرغم وجود اصطکاک مولکولی بر روی کره زمین اما توابع زنجیره ای دآینامیک همیشه این فرصت را برای ما فراهم می کند تا با تغییر در آنها بتوانیم ضریب اصطکاک را با مدل های فیزیکی متنوع و جدیدتر به حداقل رسانده و حتی با کمی خلاقیت به یک جریان حرکتی با توالی بی نهایت تبدیل کنیم. به بیان ساده تر, اگر کمی حوصله, دقت و خلاقیت را چاشنی مدل های پیچیده فیزیک و ریاضی کنید شاهد خلق مدل های جدید و روش های شگفت انگیزی در تولید انرژی پاک خواهید شد. روشی که در این مقاله پیش روی مطالعه و مشاهده شما قرار دادم نیز بر این سیاق بوده که ضمن الهام از مدل های دیگر فیزیک, به یک ساختار حرکتی مستقل و مداوم سیال آب در تست های نهایی دست یافته است و امیدوارم بهره برداری از این ایده بتواند در کنار سایر انواع روش های خلق شده در تولید انرژی های تجدید پذیر, به پاک نگه داشتن آب و هوا و محیط زیست کمک نماید.
آب و هوا، دو سیالی هستند که همه ما هر روز به صورت مداوم و جهت استفاده های گوناگون با آن سر و کار داریم. حرکت تمامی اجسام مختلف، منجمله سیالات و بطور اخص جریان سیال آب تحت تاثیر مسیر چرخش زمین است. چرخش زمین به دور خود تولید نیرویی می کند که باعث می شود مسیر حرکت تمامی اجسام دارای جرم از خط مستقیم منحرف شود. به این نیرو, نیروی کوریولیس و شتاب حاصل از این نیرو, شتاب کوریولیس می گویند. در واقع شتاب کوریولیس، شتابی مستقل و واقعی نیست زیرا تنها بر اثر چرخش زمین ایجاد می شود. نیروی کوریولیس یک نیروی ظاهری یا به بیان دیگر یک شبه نیرو است که بر اجسام متحرک روی جسم چرخان اثر مستقیم یا غیر مستقیم می گذارد. بعبارتی, تا زمانی که اجسام مختلف در گستره کیهان تحت گرانش چیزی قرار نگیرند به صورت طبیعی روی خطی راست و مستقیم، با سرعت ثابت حرکت میکنند اما وقتی نیروی کوریولیس به آنها وارد شود مسیر آنها دیگر یک خط مستقیم نخواهد بود. همین اصل بر روی زمین نیز صادق است و نیروی کوریولیس می تواند مسبب نیروی بعدی یعنی گریز از مرکز در حین چرخش یک جرم متحرک شود. یکی از مواردی که در خلق ایده این اختراع به من کمک کرد حرکت نیروی کوریولیس و تاثیر آن در یک سانتریفیوژ بود.
یک سانتریفیوژ به شکل چرخی دورانی و بسیار بزرگ است که نیروی گزیر از مرکزِ داخل آن، اجسام دارای جرم را به سمت خارج هل میدهد. در چرخش یک سانتریفیوژ علاوه بر تولید نیروی گریز از مرکز, سایر نیروهای دیگر مانند شتاب کوریولیس, چسبندگی و جاذبه خارجی نیز بوجود می آید. دلیل چرخش سیارات به دور خورشید، بدون اینکه به درون خورشید بلعیده شوند نیز همین اصل است یعنی، برابری نیروی گریز از مرکز آنها با نیروی گرانش خورشید. حال همین قاعده در ابعاد کوچکتر یک سانتریفیوژ با شار کمتر نیز قابل مشاهده است. این خاصیت فیزیکی می تواند به ما کمک کند که با قرار دادن سیالاتی نظیر آب در یک سانتریفیوژ چرخان به قابلیت تغییر شکل ممتد و سریع در مواجه با نیروهایی نظیر شتاب کوریولیس, چسبندگی و گرانش داخلی و یا خارجی دست یابیم. پس آیند این تغییر شکل فیزیکی آب در خلاف مسیر نیروی وارده می تواند منجر به ایجاد یک سیکل حرکتی در سیال شود.
پیاده سازی ایده "تولید برق با استفاده از سانتریفیوژ سیال آب" ساختاری بسیار پیچیده نیست, تنها با کمی مطالعه, خلاقیت و دقت در مباحث علم فیزیک می توانیم با روش های مختلف دیگر نیز, به سیکل انرژی ممتد از رخداد های جهان ماده دست یابیم. در سالهای اخیر تقریبا تمام تلاش شرکت های پیشرو در تولید انرژی های تجدید پذیر بر پایه همین تفکر بوده است که قواعد اولیه فیزیک و مدل های ریاضی همچنان شاه کلید کشف بسیاری از ایده ها و اختراعات پیچیده تر در علم فیزیک نوین هستند. همسو با حرکت سایر پژوهشگران علوم مختلف در جهت طرح و ارائه راهکارهای پیچیده و یا ساده در تولید انرژی پاک, من نیز سعی کرده ام در این مقاله تجربیات و مطالعات مختصر خودم را هرچند به مقداری اندک, برای رشد و گسترش ایده ها و خلق اختراعات بیشتر مرتبط با این مهم به اشتراک گذارم. در روشی که جزئیات بیشتر آن در بخش توضیحات فنی این مقاله ارائه شده است حتی الامکان سعی گردیده که بر پایه مستندات علمی, قابلیت اجرایی تولید برق با استفاده از سانتریفیوژ سیال آب در سطح استفاده گسترده بعنوان یک زیر ساخت کلان به نمایش درآید تا توجه بیشتر متولیان انرژی به سوی حرکت جدی تر در مسیر استفاده و بهره برداری از ایده های جدید در تولید انرژی های پاک ترغیب و جلب گردد.
◉ توضیحات فنی اختراع:
سیال آب غلظت بیشتری نسبت به سیال هوا دارد بنابراین آب تحت شرایط شارژ های محیطی به جریان در می آید و در این جریان حرکتی تغییر شکل مداوم نیز می یابد. سیال آب در دسته سیالات نیوتنی (Newtonian Fluids) قرار دارد زیرا اگر دما و فشار این نوع از سیال تغییر نکند، ویسکوزیته (مقاومت سیال نسبت به جاری شدن) سیال آب ثابت باقی میماند و لزجت یا گرانروی آن تحت اعمال فشار نیرو تغییر نمی کند. از سوی دیگر, ویسکوزیته در یک سیال نیوتنی تنها به دما و فشار بستگی دارد و به نیرویی که به آن اعمال میشود وابسته نیست و این خاصیت سیالات نیوتونی به ما کمک می کند که بتوانیم علیرغم اعمال فشار حرکتی به سیال آب با مفروض قرار دادن دمایی مشخص, اما دارای یک ویسکوزیته ثابت باشیم تا ضمن جلوگیری از اتلاف انرژی حرکتی با استفاده از فیزیک خود گردان جاذبه و نیروی گریز از مرکز به یک سیکل حرکتی ممتد دست یابیم.
در طراحی ایده سانتریفیوژ سیال آب من از طراحی چرخ آسیاب آبی نیز الهام گرفتم. در حقیقت سانتریفیوژ سیال آب به شکل چرخی دورانی و بزرگ است که نیروی گریز از مرکزِ ایجاد شده در آن، آب را به سمت بیرون درگ (کشش) می کند اما چون آب در سیلندر شیشه ای سانتریفیوژ محصور است بنابراین به سمت کشش قوسی (چرخشی) میل پیدا می کند. در زمان چرخش آب, نیرو و شتاب کوریولیس نیز بر جرم سیال آب وارد می شود و باعث می شود مولکول های نزدیک به بدنه بیرونی سیلندر با سرعت بیشتری حرکت کنند زیرا مولکول ها در دورترین فاصله از مرکز سیلندر قرار گرفتهاند بنابراین، با سرعت بیشتری در محور بیرونی به حرکت چرخشی وادار می شوند. نکته مهمی که در خصوص اهمیت شتاب کوریولیس در این سانتریفیوژ وجود دارد این است که نباید اندازه سیلندر بیش از حد بزرگ باشد چون در این حالت، اندازه نیرو و شتاب کوریولیس بسیار کوچک میشود و هیچ اثری روی سرعت حرکت مولکولها نخواهد گذاشت.
همانگونه که در ویدیوی انتهای این مقاله قابل مشاهده است در این ایده, سانتریفیوژ سیال آب را به شکل یک استوانه با دو نوار چرخ آسیابی در دو طرف آن طراحی کرده ام. دلیل استوانه ای بودن شکل این سانتریفیوژ این است که مانع تکانه زاویهای به دلیل وجود منابع مختلف و به سبب حرکت هایی نظیر حرکت کاتورهای شویم. هرچند حذف تمام حرکتهای اضافی در این سانتریفیوژ کار بسیار مشکلی است اما با طراحی دو نوار چرخ آسیابی در دو طرف بدنه این سانتریفیوژ می توانیم تا حد خیلی زیادی حرکتهای انحرافی سیال را در تقابل با اصطکاک مولکولی حذف و چرخش سانتریفیوژ به دور محور شافت را میسر کنیم. در حقیقت مولکول های آب درون سیلندر بر اثر چرخش سانتریفیوژ در معرض حرکت تصادفی ذرات غوطهور در شاره مایع پس از برخورد با مولکولهای سریع تر آب قرار می گیرند و حرکت براونی یا همان حرکت کاتورهای در چنین سانتریفیوژی ایجاد می شود که مقداری انحراف مسیر تولید می نماید اما با قرار گیری دو نوار چرخ آسیابی در دو طرف بدنه استوانه ای, کشش نیروی گرانش زمین بطور مستقیم به حرکات مولکول ها وارد شده و ضمن تصحیح انحراف, آنها را در مسیر حرکت چرخشی سانتریفیوژ قرار می دهد.
از سویی دیگر, این دو حلقه چرخ آسیابی که در دو طرف بدنه استوانه ای نصب گردیده است, علاوه بر تصحیح حرکت براونی مولکولهای موجود در سیال سانتریفیوژ, به توالی حرکتی ممتد و بی نهایت سیلندر نیز کمک می کند. در جهت درک بهتر مطلب باید اشاره شود که در بررسی اولیه حرکات آب اینطور به نظر می رسد که نیروی غیر واقعی جانب مرکز باعث حرکت دورانی سانتریفیوژ بعنوان دستگاه مرجع چرخان میشود اما در حقیقت علت خروج از مرکز مولکولهای یک سیال نظیر آب در حرکت دایره ای و چرخشی اینرسی خود آن سیال است که دارای جرم مشخص بوده و در جهت تمایل برای حفظ حالت قبلی حرکت می کند. با اینحال بدلیل وجود اصطکاک مولکولی ناشی از گرانش کره زمین, این حرکت چرخشی در نهایت محکوم به وضعیت استاتیک می شود مگر آنکه برای حفظ یک سیکل چرخش ممتد و خنثی کردن نیروی اصطکاک ناشی از جاذبه, یک نیروی فیزیکی ممتد در مسیر حرکت سیال ایجاد کنیم.
برای رسیدن به این مقصود من از جاذبه زمین برای خنثی کردن اصطکاک مولکولی در آب استفاده کردم. بدین شکل که با وارد آمدن فشار یک وزنه بر روی جرم سیال ما می توانیم به یک جریان ممتد انرژی, که ناشی از این فشار است دست یابیم. همانطور که در قبل اشاره شد سیالات نیوتونی مانند هوا و آب, فارغ از میزان ویسکوزیته ( لزجت یا گرانروی ) که در آنها وجود دارد این پتانسیل بالفعل را دارند که می توانند بر اثر فشار بر مولکولهای آزادشان مدام تغییر شکل دهند. یک سیال نیوتنی همانند آب، سیالی است که ویسکوزیته آن، تنها به دما و فشار خود سیال بستگی دارد و با اعمال نیرو در دما و فشار ثابت ویسکوزیته آن تغییر نمیکند و این می تواند یک مزیت عالی برای روان بودن تغییر شکل مداوم سیالی نظیر آب باشد. به بیان ساده تر غلظت چسبندگی ویسکوزیته مولکولها در یک سیال نیوتنی مثل آب تنها به دما و فشار محیطی که سیال در آن قرار گرفته بستگی دارد و به میزان و شدت نیرویی که به جرم آن سیال اعمال میشود وابستگی ندارد و می تواند آزادانه و با توالی بی نهایت تغییر شکل در فرم دهد.
◉ برای بزرگ نمایی بر روی هر یک از تصاویر گالری زیر کلیک نمائید:
همانگونه که در تصاویر و ویدیوی انتهای این مقاله قابل مشاهده است برای حفظ این تغییر شکل ممتد و غلبه بر نیروی اصطکاک مولکولی من از یک پد شناور (بالشتک) پلاستیکی که در درون خود دو وزنه فلزی مستطیلی شکل جای داده است استفاده کرده ام. در درون این بالشتک پلاستیکی مولکولهای هوا با جرم بالا فشرده سازی شده است تا پد قابلیت شناوری و تاب آوری لازم برای نگه داشتن وزنه ها بر روی سطح سیال (آب) را داشته باشد. علیرغم وزن سنگین پد شناور, اما بدلیل قانون ارشمیدس و چگالی کلی پد شناور که کمتر از چگالی آب درون سانتریفیوژ است عملا حجم زیادی از آب درون سیلندر شیشه ای به بالا رانده می شود. بعبارتی نیرویی که بخاطر سنگینی دو وزنه فلزی به پد شناور وارد می شود تنها معادل وزن جداره پد است اما نیرویی که پد شناور به سیال آب وارد می کند به اندازه حجمی از آب است که به خاطر فرو رفتن پد به سمت بالا آمده و این چگالی کمتر منجر می شود که ضمن حفظ وضعیت شار فشار سنگینی وزنه های پد به مولکولهای آب (در جهت ایجاد یک جریان فشار همسو با چرخش سانتریفیوژ), پد همچنان شناور روی آب باقی بماند.
اما برای اینکه پد شناور بتواند همسو با حرکت چرخشی سیال, عمل نماید نیاز به انعطاف پذیری حرکت چرخشی در حول محور مرکزی دارد. برای دست یابی به این منظور, من پد شناور را به یک اهرم چرخان متصل کردم. این اهرم در مرکز سانتریفیوژ توسط یک بلبرینگ چرخان به شافت سانتریفیوژ متصل شده است. بلبر ینگ چرخان در مرکز محور شافت قرار گرفته است بنابراین با چرخش شافت بلبرینگ نیز به دور محور شافت می غلطد و بدلیل دارا بودن بازوی مکانیکی, اهرم متصل به آن همیشه در یک مسیر مشخص قرار می گیرد. مسیر استقرار اهرم شناور بسته به وضعیت حرکت ساعتگرد یا پادساعتگرد سانتریفیوژ متغیر است و در تمامی زمانها تکانه حرکتی اهرم هم راستا و هم عرض بر روی مسیر چرخشی سانتریفیوژ قرار می گیرد. نکته قابل توجه در این مرحله آن است که چرخش در مسیر ساعتگرد یا پادساعتگرد در این سانتریفیوژ الزامی تغییر ناپذیر نیست و بسته به سمت قرار گیری اهرم پد شناور و حرکت اولیه استارتر سانتریفیوژ, این چرخش می تواند ساعتگرد یا پاد ساعتگرد باشد.
علیرغم تاثیر نیروی کوریولیس بر حرکت هوا در اتمسفر زمین و به تناوب آن تفاوت جهت چرخش حرکت ساعتگرد یا پاد ساعتگرد بعضی از پدیده های طبیعی در نیمکره شمالی و جنوبی مانند تفاوت در چرخش توده های هوا و طوفانها در دو نیمکره, اما نیروی کوریولیس تاثیری بر جهت چرخش سیال در درون این سانتریفیوژ ندارد. چه در نیمکره شمالی باشید یا جنوبی, در هر سمت سیال که جرم تحت فشار قرار بگیرد چرخش مورد انتظار رخ خواهد داد و سانتریفیوژ به چرخش وادار خواهد شد مگر آنکه دمای محیط سانتریفیوژ دستخوش تغییرات گردد و منجر به بالا رفتن میزان ویسکوزیته ( لزجت یا گرانروی )ناشی از انجماد یا پایین آمدن ویسکوزیته و رقیق تر شدن سیال شود. واضح است که هر چه سیال دارای غلظت و لزجت بیشتری باشد حرکت مولکولهای آن به آهستگی و کندی انجام می شود و طبعا سرعت چرخش سانتریفیوژ و قدرت تولید برق از آن کاهش می یابد و در مقابل هر چه دما قابل کنترل در بازه نرمال باشد ویسکوزیته روان می شود و ضمن افزایش سرعت حرکت مولکولها, سرعت چرخش سانتریفیوژ و تولید الکتریسیته نیز بهبود می یابد.
با وارد آمدن فشار نیروی وزنه های پد شناور به یک سمت از جرم سیال در درون چمبر شیشه ای, سیال تغییر شکل داده و از سمت دیگر سعی می کند جرم خود را جابجا نموده و از دیوار استوانه شیشه ای بالا رود. این گرایش به بالا رفتن و جابجایی جرم باعث می شود سیال بر روی انتهای جداره سانتریفیوژ بغلطد. این همان جایی است که حرکت سیال در دورترین نقطه مکانی از محور مرکزی شافت قرار دارد یعنی جایی که سرعت حرکتی مولکولها در حداکثر بازه زمانی و مکانی است. این قابلیت تغییر فرم و شکل سیال (بدلیل فشار وارده توسط پد شناور) باعث میشود چرخ سانتریفیوژ تحت تاثیر فشار وارد شده در جهت بالا رفتن سیال آب از دیواره های سمت مخالف اهرم شناور, به چرخش در آید. همانگونه که اشاره کردم این چرخش بصورت ممتد و خود گردان است اما در نهایت پس از گذر از یک بازه زمانی, احتمال رسیدن به حالت استاتیک و سکون در حرکت وجود دارد زیرا در هر صورت اصطکاک نیروهای فورس محیط بر این چرخش تاثیر خواهد گذاشت.
همانگونه که در تصاویر این مقاله مشاهده می نمائید برای تضمین ایجاد حرکت دآینامیکی مداوم و همیشگی و جلوگیری از قرار گیری در وضعیت ساکن استاتیکی, من از دو حلقه چرخ آسیابی در دو طرف بدنه استوانه ای استفاده کرده ام, تا علاوه بر تصحیح حرکت براونی مولکولهای موجود در سیال سانتریفیوژ, امکان قرار گیری در وضعیت استاتیک بطور کامل خنثی شود. اساس کار این دو حلقه چرخ آسیابی بدین گونه است که تعداد مشخصی قالب های مثلثی با فواصل معین بر روی هر یک از حلقه ها قرار گرفته است. مقدار تعداد و حدود دقیق فواصل قالب ها از یکدیگر بستگی کامل به شعاع سانتریفیوژ از محور شافت مرکزی دارد که می بایست با انجام محاسبه و تست از بکارگیری تعداد غیر ضروری و یا فواصل زیاد یا کم که مانع چرخش خودگردان سانتریفیوژ می گردد اجتناب شود. در حقیقت این بخش خیلی مهمی از اصل فیزیک خودگردان در مواجه با نیروی گرانش است و در صورت رعایت نکردن آن, نیروی جاذبه و نیروی مرکز گریز مانع چرخش ممتد و متوالی شافت سانتریفیوژ می شوند.
در درون هر یک از چمبر های مثلثی مقدار مشخصی آب قرار دارد که می بایست نیمی از فضای درونی قالب مثلثی خالی و نیمی آب باشد. این بدان دلیل است که سیال آب بتواند با اعمال نیرو ناشی از گرانش هم جهت با چرخش سانتریفیوژ تغییر شکل داده و حرکت کند. تغییر شکل آب در مواجه با شیب ناشی از جاذبه منجر به درگ شدن جرم آب به سمت پایین می شود و هنگامی که هر یک از قالب ها در موقعیت شیب کمان عمودی چرخ قرار می گیرند نیروی جاذبه به همراه نیروی گریز از مرکز, جرم آب را همزمان به سمت بیرون و پایین درگ می کند. این کشش تحت تاثیر عملکرد مشابه و گروهی در وضعیت شیب کمان عمودی چرخ توسط هر یک از چمبر های مثلثی مستقر بر روی حلقه چرخ آسیابی, منجر به تولید یک سیکل حرکتی خودگردان می شود که در ترکیب با چرخش آب درون سانتریفیوژ, ضمن خنثی کردن اصطکاک مولوکولی سیال, یک سیکل حرکتی سریع و مداوم تولید می نماید.
در نهایت, نیروی ایجاد شده توسط سانتریفیوژ سیال آب با انتقال گشتاور شافت به روتر ژنراتور منجر به تولید الکتریسیته در ایستگاه پایانی این پروژه می گردد. نکته ای که می بایست مجددا به آن اشاره کنم آن است که ابعاد خیلی بزرگ جهت ساخت چنین سانتریفیوژی اثر معکوس در تولید سرعت چرخش و قدرت گشتاور تولید شده دارد و باعث کاهش راندمان و بالا رفتن هزینه های تولید می شود بنابراین جایگزین مناسبتر جهت حفظ قدرت گشتاور و سرعت شافت, احداث چندین سانتریفیوژ با شعاع مناسب در یک سامانه متصل به هم است که در ویدیوی انتهای این مقاله نحوه چیدمان این ترکیب را به نمایش گذاشته ام. در این مقاله سعی کردم در حد امکان چگونگی نحوه کار ایده جدیدم را با علاقمندان به انرژی های پاک به اشتراک بگذارم اما قطعا می توانیم با ارتقا جزئیات فنی بیشتر در جهت رسیدن به بهترین مدل فیزیکی (ترکیبی), کسب راندمان بالاتر از این ایده را تضمین نمائیم.
بمثابه سایر اختراعات, این اختراع نیز قابلیت توسعه و ظرفیت بهینه سازی بیشتر را حتی بعنوان یک زیر ساخت دارد. با استفاده از "سانتریفیوژ سیال آب " می توان کمک شایانی به تولید انرژی پاک, کم هزینه و بی پایان با قابلیت استفاده در طول 24 ساعت شبانه روز در تمامی نقاط کره زمین نمود.
◉ سازنده انیمیشن این ویدیو: علی پوراحمد
◉ سازنده موسیقی این ویدیو: علی پوراحمد
◉ گفتار متن: علی پوراحمد
◉ زبان: انگلیسی
◉ زیر نویس فارسی: ندارد
درباره مخترع و نویسنده این مقاله 👇 :
مقالات اختراعات علمی مرتبط با تولید برق :
سایر اختراعات علی پوراحمد :
سایر مقالات علی پوراحمد :