برای مشاهده ویدیوی «خلاصه تصویری» این اختراع اینجا کلیک نمائید
اختراعات علمی: علی پوراحمد | طبقه بندی: اختراعات جدید در ایران و جهان | دسته: اختراعات ثبت شده در ایران و جهان
ساختمانهای معلق و شناور در هوا با استفاده از ابر رسانا و مغناطیس
◉ اختراع: ساختمانهای معلق و شناور در هوا با استفاده از ابر رسانا و مغناطیس
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
◉ مقدمه و اهداف:
در این مقاله بطور مختصر به بررسی نحوه ساخت ساختمانهای معلق و شناور در هوا با استفاده از ابر رسانا و مغناطیس میپردازیم.
در دنیای مدرن امروز در کنار استفاده و بهره وری بیشتر از تکنولوژی, نگاهی خاص و جدی نیز به مفاهیم زیباشناختی و جذابیت های بصری تولیدات در قالب کانسپت های پیچیده وجود دارد. در 5 دهه گذشته سرعت ظهور تکنولوژی های جدید و روند تغییر و توسعه مکرر در آنها بمثابه امروز نبود, اما انسان امروزی علاقمندی بسیار بیشتری به تغییرات سریع, نوآوریهای مکرر و تفکر عمیق در دستاوردهای حاصل شده را دارد زیرا او می خواهد دریابد چگونه می تواند هر روز خلاقیت متفاوت تر و نوآورانه تری ارائه دهد. بعنوان مثال, یکی از دلایل اصلی تغییرات اساسی در ساختار داخلی و بیرونی صنایع مرتبط با ساختمان سازی در چندین دهه گذشته همین گرایش شدید انسان عصر جدید به ایجاد تغییرات بنیادین در ساختار این صنعت با حفظ زیبایی بصری تولیدات آن بوده است.
ما همیشه ساختمانها را تحت تاثیرات شدید نیروی غالب گرانش دیده ایم. ساختار طراحی و مهندسی سازه داخلی و نمای بیرونی و حتی ترکیب مولکولی مواد ساختمانی همیشه تحت تاثیر این نیرو و نیز سایر نیروهای دارای اصطکاک یا فرسایش در هر منطقه بوده است. بعبارتی ما همیشه ساختمانها را چسبیده به زمین دیده ایم! اما آیا تا بحال ساختمانی معلق در آسمان دیده ایم؟ قطعا بسیاری از مردم این چنین ساختمانهایی را در فیلم های علمی تخیلی دیده اند اما آیا در واقعیت, ساخت سازه های ساختمانی شناور در هوا امکان پذیر است؟ در این مقاله من توضیح خواهم داد که چنین ایده ای قطعا امکان پذیر است اما قبل از آن و برای درک بهتر این تکنیک میبایست بشرح مختصری درباره مفاهیم فیزیکی پایه استفاده شده در این ایده و طرح بپردازیم.
◉ اختراع: ساختمانهای معلق و شناور در هوا با استفاده از ابر رسانا و مغناطیس
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
مقاومت در مقابل عبور جریان الکتریسیته یکی از شاخصه های رسانا بودن یا عایق بودن مواد است. بعنوان مثال یک فلز به خوبی جریان الکتریسیته را از خود عبور می دهد زیرا الکترون های آزاد درون فلز به راحتی و بدون هیچ مقاومتی از ماده (فلز) عبور می کنند بنابراین فلز دارای خاصیت رسانایی است اما همین جریان الکتریسته اگر وارد ماده ای از جنس پلاستیک شود بدلیل ساختار گاز های مورد استفاده در بافت پلاستیک, الکترون ها با مقاومت بالا مواجه شده و جریان الکتریسته قادر به عبور نمی شود زیرا پلاستیک دارای خاصیت عایقی است. البته عایق بودن یا رسانا بودن مواد یک خاصیت نسبی است نه مطلق زیرا تمام مواد در درون اتم های خود مقدار ناچیزی از خاصیت های رسانا و یا عایق بودن را دارند.
برخی از مواد موجود در طبیعت به دلیل داشتن توانایی ابرقدرتی و فوقالعاده زیاد آنها در رسانا بودن تحت عنوان ابررسانا نامیده میشوند. تمام ابررساناها از موادی تشکیل شدهاند که دارای خاصیت الکتریکی خنثی هستند زیرا اتمهای آنها متشکل از الکترونهای با بار منفی است که هسته اتم را با تعداد مساوی پروتون با بار مثبت احاطه کرده اند.
◉ اختراع: ساختمانهای معلق و شناور در هوا با استفاده از ابر رسانا و مغناطیس
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
از اینرو در یک ماده با خاصیت ابررسانایی، الکترونهای متحرک به جای اینکه به طور تصادفی حرکت کنند با یک حرکت منظم, هماهنگ و بدون هیچ برخوردی از اتمی به اتم دیگر منتقل می شوند و به همین دلیل هیچ مقاومتی و گرمایی ایجاد نمیشود. حال اگر یک ماده با خاصیت ابر رسانایی سردتر شود، حرکت الکترونها و هستهها منظم تر شده و خاصیت ابررسانایی آن ماده افزایش می یابد.
در کنار مواد موجود در طبیعت, می توان خاصیت ابر رسانایی بودن را با ترکیب چندین ماده نیز خلق کرد. البته این ترکیب شامل همه مواد نمی شود زیرا توانایی تبدیل شدن یک ماده به ابر رسانا فقط در دسته بندی فلزات و شبهفلزات قرار می گیرد که با ورود به دمای بحرانی (Critical Temperature) قادر به بروز خاصیت ابررسانایی در خود هستند. بعنوان مثال جیوه در دمای منفی 269 درجه سانتیگراد به یک ابر رسانا تبدیل می شود اما ترکیبات دیگری نیز وجود دارد که در دمای بالاتر به خاصیت ابر رسانایی می رسند. بعنوان نمونه, ترکیب جیوه، تالیوم، باریم، کلسیم، مس، اکسید (Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O125) در دمای منفی ۱۳۵ درجه سانتیگراد ( منفی۲۱۱ درجه فارنهایت یا ۱۳۸ کلوین) به خاصیت ابررسانایی می رسد.
◉ اختراع: ساختمانهای معلق و شناور در هوا با استفاده از ابر رسانا و مغناطیس
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
به غیر از قابلیت ابر رساناها در انتقال کامل جریان های الکتریکی و بدون هیچ گونه مقاومتی, این مواد می توانند با استفاده از اثر مایسنر جریان های الکتریکی را در نزدیکی سطح خود و در دمای بحرانی (TC) بوجود آورند و میدان های درون خود را خنثی کنند. این موضوع باعث میشود که با سرد شدن ابررسانا و رسیدن به دمای بحرانی, شار مغناطیسی به بیرون رانده شده و باعث شود یک ماده که دارای خاصیت مغناطیسی است در بالای ابر رسانا به حالت معلق و شناور قرار گیرد. این همان خاصیتی است که یک ابر رسانا با رسیدن به دمای منفی 268 درجه سانتیگراد قادر به معلق نگاه داشتن قطار های مغناطیسی 33 تا 640 تنی مَگلِو (Maglev) به فاصله 10 سانتیمتر بدون هیچ تماسی بر روی ریل ها (کویلهای زمین) می شود.
چنین خاصیت شگفت انگیزی باعث شد که سالها پیش ایده استفاده از یک ماده با جرم بسیار بزرگ و خاصیت ابر رسانایی بالا برای معلق نگاه داشتن یک سازه ساختمانی (بشکل نمادین) در ذهن من شکل گیرد که من این ایده را در سال 2018 برای خلق ساختمانهای معلق شگفت انگیز در فیلم علمی تخیلی "سال شمسی 2400" مورد استفاده قرار دادم. شاید در آن زمان صحنه های ساختمانهای معلق در این فیلم فقط بعنوان یک ایده تخیلی قلمداد میشد اما در حقیقت ایده این فیلم هرگز تخیلی نبود و در پشت طراحی صحنه های این فیلم من یک مانیفست کامل از نحوه چگونگی ساخت آن سازه های شناور را در دنیای واقعی داشتم که در ادامه به تشریح جزئیات آن خواهم پرداخت.
◉ توضیحات فنی اختراع:
برای شناور کردن یک ساختمان مطابق آنچه در ویدیوی انتهای این مقاله قابل مشاهده است من از دو تکنیک استفاده کرده بودم. تکنیک اول استفاده از محفظه انباشت هلیوم فشرده بعنوان سازه داخلی و پوشش دادن این محفظه بالنی با نمای واقعی یک ساختمان و تکنیک دوم استفاده از ابر رسانای قوی و بزرگ با تجهیزات سرمایشی مخصوص, برای معلق نگه داشتن آهنربای مغناطیسی بزرگ متصل به یک سازه سبک بعنوان یک ساختمان نمادین بود که در اینجا من به تشریح تکنیک پرهزینه تر و پیچیده تر دوم که استفاده از یک ابر رسانا عظیم است می پردازم. لازم به ذکر است که بدلیل کنترل وزن و تعادل سازه در هر دو تکنیک, ساختمانهای معلق غیر قابل سکونت بوده و تنها توجیه جهت سرمایه گذاری در ساخت آنها ایجاد نمادی منحصر بفرد و زیبا از شناور بودن یک ساختمان در آسمان شهرک های مدرن است.
◉ اختراع: ساختمانهای معلق و شناور در هوا با استفاده از ابر رسانا و مغناطیس
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
برای معلق ماندن ساختمان این پروژه در هوا و بوسیله ابر رسانا در ابتدا نیاز است که تا حد ممکن از وزن اضافی ساختمان کاسته شود. برای این منظور من از سازه ساخته شده از پلی کربنات فشرده و ضد آتش موسوم به G2 با روکش رنگ استیل استفاده کردم. وزن تیر های G2 در حدود 20 کیلوگرم با پهنای 40 سانتی متر و طول 6 متر و وزن صفحات G2 در حدود 5 کیلوگرم با عرض 2 متر و طول 6 متر می باشد. این وزن کم در کنار سختی و استحکام بالای پلی کربنات در مواجه با فشار گرانش و عوامل محیطی باعث می شود که بتوانیم سازه و نمای ساختمان معلق را در ابعاد مورد نظر ایجاد کنیم. در حقیقت برای کاهش وزن, درون ساختمان معلق کاملا خالی است و قسمت بیرونی آن متشکل از سازه (تیر های پلی کربنات) و نمای ظاهری ( صفحات شکل داده شده پلی کربنات) می باشد.
◉ اختراع: ساختمانهای معلق و شناور در هوا با استفاده از ابر رسانا و مغناطیس
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
مرحله بعد اضافه کردن یک "ایجاد کننده الکتریکی" جهت "تولید میدان مغناطیسی" به قسمت زیرین سازه معلق است. برای تولید یک میدان مغناطیسی بسیار قوی نیازمند یک "ایجاد کننده مغناطیس الکتریکی" (Magnet Coil) قوی هستیم تا سیم پیچ رسانا جریان الکتریکی را به میدان مغناطیسی تبدیل کند. از آنجایی که همه الکترونها از طریق سیم در یک جهت حرکت میکنند در نهایت یک میدان مغناطیسی کنترل شده و قوی در اطراف سیم پیچ (Magnet Coil) بوجود می آید که قدرت آن متناسب با مقدار جریان عبوری از سیم پیچ است بدین معنی که هر چه جریان الکتریکی افزایش یابد، قدرت میدان مغناطیسی نیز افزایش پیدا می کند. این موضوع از این منظر حائز اهمیت است که در مرحله قرار گیری ایجاد کننده میدان مغناطیسی بر بالای ابر رسانا (Superconductor) هر چه میدان مغناطیسی ایجاد شده قوی تر و میزان دمای ماده ابر رسانا پایین تر باشد بدلیل اثر واکنشی مایسنر, دفع و خنثی سازی میدان مغناطیسی ایجاد شده بهتر انجام خواهد یافت و امکان معلق ماندن و ضد گرانش بودن سازه های بزرگ نیز فراهم خواهد شد.
بدلیل اینکه "ایجاد کننده الکتریکی" میدان مغناطیسی به سازه معلق متصل و بعبارتی در هوا شناور است بنابراین برق مورد نیاز خود را از دو طریق می تواند بدست آورد. پلن اول استفاده از پنل های خورشیدی متصل به سازه معلق است که علاوه بر ایفای نقش جایگزین بعنوان پنجره های شیشه ای ساختمان قابلیت تولید برق مورد نیاز "ایجاد کننده مغناطیس الکتریکی" (Magnet Coil) را دارد که البته در این طرح میبایست به حداکثر وزن ثبات و کنترل ساختمان شناور توجه شود. پلن دوم و پر هزینه تر انتقال برق بی سیم (WPT) با انتقال امواج مایکروویو (MPT) از بخش دوقلوی ساختمان بر روی زمین است که بدلیل فاصله بسیار کم دو بخش چسبیده به زمین و معلق در هوای ساختمان این ایده با بازدهی عملی بیشتری همراه خواهد بود.
◉ اختراع: ساختمانهای معلق و شناور در هوا با استفاده از ابر رسانا و مغناطیس
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
در پایین و بالای هر ضلع عرضی سازه معلق مجموعا 16 فن تولید مکش و فشار (هر ضلع 4 فن) جهت کنترل جلوگیری از حرکت سازه بر اثر عوامل طبیعی نصب شده تا در صورت هشدار سنسور های هوشمند مبنی بر انحرافات جزئی سازه معلق از وضعیت موازات (به نسبت سازه چسبیده به زمین), سیستم تصحیح انحراف فعال و به تناسب انحراف, فشار هوای لازم برای برگشت سازه معلق به مکان مشخص شده اعمال شود. البته چسبندگی میدان مغناطیسی بوجود آمده بین آهنربای الکتریکی و ابر رسانا مانع از انحراف می شود اما فن های فشار و مکش می توانند مانع از هر گونه انحرافات ناخواسته بر روی سازه, خصوصا در شرایط جوی خاص گردند.
◉ برای بزرگ نمایی بر روی هر یک از تصاویر گالری زیر کلیک نمائید:
برای تکمیل سیستم طراحی شده جهت شناور نگه داشتن سازه معلق بر بالای سازه پایه ( ساختمان چسبیده به زمین) میبایست از یک جرم رسانای بزرگ با ترکیبی از مواد (LTS) که در بالاترین دما به نقطه TC (دمای بحرانی شکل گرفتن خاصیت ابر رسانایی در مواد) میرسند استفاده نمائیم. ترکیب جیوه، تالیوم، باریم، کلسیم، مس، اکسید (Hg12Tl3Ba30Ca30Cu45O125) که توسط دانشمندان کرهای ثبت اختراع شده و در دمای منفی ۱۳۵ درجه سانتیگراد به خاصیت ابررسانا میرسند ساختاری مناسب برای ابر رسانای مورد استفاده در این پروژه است.
◉ اختراع: ساختمانهای معلق و شناور در هوا با استفاده از ابر رسانا و مغناطیس
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
دلیل انتخاب این ترکیب, امکان استفاده از نیتروژن مایع برای سرد نگه داشتن این مواد ترکیبی بجای استفاده از هلیوم مایع است زیرا تولید نیتروژن مایع در ضمن نداشتن خاصیت آتش زایی و انفجار دارای هزینه بسیار کمتری (در حدود ده برابر ارزانتر) نسبت به گاز هلیوم مایع است اما با اینحال, انتخاب منبع فریز کننده با توجه به ساختار آلیاژ مواد ابر رسانا (Superconductor) قابل بازنگری بوده و امکان تغییر آن وجود خواهد داشت. لازم به اشاره است که فریز کردن مواد ابر رسانا با استفاده از دستگاه های سرد کن الکتریکی بسیار پر هزینه و نیاز به مصرف برق بالایی خواهد داشت از اینرو بهترین راه حل برای فریز کردن مواد ابر رسانا استفاده از نیتروژن مایع در دماهای بالا TC و هلیوم مایع در دماهای پایین TC است.
تا اینجای کار سیستم معلق نگه داشتن سازه تکمیل شده است اما نکته ای که باید به آن توجه خاص شود تناسب ابعاد و تفاوت وزن "ایجاد کننده مغناطیس الکتریکی" سازه معلق با ابر رسانای (Superconductor) متصل به سازه ثابت و چسبیده به زمین است. بعبارتی در صورت داشتن اضافه وزن سازه معلق و یا ضعیف بودن میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط آهنربای الکتریکی و نیز افت دما در ابر رسانا امکان بروز عدم تعادل در عملکرد صحیح ابر رسانا بالا می رود زیرا با ناترازی فشار میدان و دما, شار مغناطیسی وارده بر ابر رسانا بطور کامل به بیرون رانده نشده و امکان معلق بودن سازه متصل به آهنربای الکتریکی فراهم نمیشود.
◉ اختراع: ساختمانهای معلق و شناور در هوا با استفاده از ابر رسانا و مغناطیس
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
همانگونه که در ویدیوی انتهای مقاله قابل مشاهده است, برای غلبه بر این چالش من یک راه حل کمکی با استفاده از جک های هآیدرولیکی نگه دارنده سازه معلق طراحی کردم. این جکها علاوه بر نگاه داشتن سازه معلق در شرایط اضطراری و یا دوره های تعمیر و نگهداری دستگاه های متصل به سازه, می توانند بعنوان یک سیستم صرفه جویی در مصرف برق سازه معلق نیز عمل کنند. بدین صورت که در ساعات پایانی شب که اهمیت جلوه بصری شناور و معلق بودن ساختمان کاهش پیدا می کند, جک های نگه دارنده به سازه معلق متصل میشوند و سازه را بدون نیاز به میدان مغناطیسی برقی, همچنان در بالای ساختمان پایه نگه میدارند و سپس با روشنایی روز و نمایان شدن جلوه بصری ساختمان, مجددا جک های نگه دارنده از سازه معلق جدا میشوند.
◉ اختراع: ساختمانهای معلق و شناور در هوا با استفاده از ابر رسانا و مغناطیس
◉ مخترع و صاحب امتیاز: علی پوراحمد
◉ طبقه بندی: اختراعات جدید مخترعین ایران و جهان
همانگونه که در ابتدای این مقاله اشاره نمودم ضرورت اجرای چنین پروژه پیچیده, پیشرفته و پر هزینه ای نیازمند توجیه اقتصادی است ولی در عین حال ساخت موردی آن در معدود شهر های مدرن می تواند به زیبایی این دسته از شهرها با ترکیبی از المانهای علمی تخیلی و مدرن برای جذب توریست بیشتر و سرمایه گذاریهای مرتبط با آن بیفزاید.
بمثابه سایر اختراعات, این اختراع نیز قابلیت توسعه و ظرفیت بهینه سازی بیشتر را داشته و با تجاری سازی آن امکان فانتزی و مدرنیزه سازی نماهای متفاوت شهری در برخی مناطق جهان میسر میشود.
پایان مقاله//
◉ ویدیوی ساختمانهای معلق و شناور در هوا با استفاده از ابر رسانا و مغناطیس / از دسته «اختراعات علی پوراحمد»
◉ 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 👇 :
سایر مقالات علی پوراحمد :
◉ آیا هوش مصنوعی میتواند خالق هنر و جایگزینی برای هنرمند و خلاقیت انسانی باشد؟
◉ چرا در سینمای ایران ژانر علمی تخیلی وجود ندارد!
◉ عوامل تاثیر گذار در خلق اختراعات, چگونه میتوانیم یک مخترع شویم!
◉ آیا خدا وجود دارد؟ آیا وجدان می تواند جایگزین خدا شود؟
تبلیغات
