نانو وصنعت برق

زمانی که قرن بیستم آغاز شد، افراد معمولی بسیار سخت میتوانستند درک کنند که خودرو‌ها و هواپیما‌ها چگونه کار میکنند. بهرهگیری از انرژی اتمی فقط در حد تئوریوجود داشت و شاید اکنون نیز برای عدهای در ابتدای قرن بیست و یکم بسیار سخت باشدکه باور کنند بشر روباتهای میکروسکوپی خواهد ساخت و خط مونتاژ میکروسکوپی داشتهباشد. تولید چنین محصولات خارق العادهای حاصل بخشی از دانش بشری است که به آن نانوتکنولوژی میگویند.

بحث نانوتکنولوژی یکی از رایج ترین مباحث در مجامع علمی دنیاست و کشورهایی که نتوانند در این فنآوری موقعیت مناسبی بدست آورند، در آینده در بسیاری زمینه‌ها از گردونه رقابت اقتصادی خارج میشوند چرا که از جمله مهمترین شاخصه های قابلیت اقتصادی در آینده، توانایی خروج موفقیت آمیز از بحران انرژی است و از نانوتکنولوژی به منزله سلاحی جدید برای مقابله با این بحران یاد میشود.

امروزه از طرفی به دلیل کاهش یافتن منابع اولیه انرژیهای فسیلی در دنیا و از طرف دیگر به دلیل ایجاد آلودگیهای شدید زیست محیطی در اثر افزایش مصرف این منابع، توجه خاصی به منابع جدید تامین انرژی مانند انرژیهای خورشیدی، بادی و … میشود. اما استفاده از این منابع مستلزم دستیابی به تکنولوژی تبدیل کننده این پتانسیل‌ها به انرژیهای الکتریکی، مکانیکی و … است. (مثل پیلهای سوختی، سلهای خورشیدی و …)

از سوی دیگر، نانو تکنولوژی، به سبب بهبود کیفی ابزارها، مصرف کمتر مواد اولیه، مصرف کمتر انرژی، کاهش تولید مواد زائد و افزایش سرعت تولید در کشورهای پیشرفته به عنوان مهمترین روش تولید و ساخت این ابزارها، مطرح است. همچنین به کمک این فناوری گامهای موثری در جهت کاهش آلودگی زیست محیطی حاصل از سوختهای فسیلی، برداشته شده است.

از این رو از مهمترین بسترهای بکارگیری نانوتکنولوژی در ساخت وتولید مبدلهای انرژیهای نو (مثل سلهای خورشیدی و پیلهای سوختی)، کاهش آلاینده های زیست محیطی نیروگاههای گازسوز (با استفاده از کاتالیستهای احتراق) و افزایش راندمان این نیروگاه‌ها (با بکارگیری نانوپوشش‌ها و نانومگنتها) است.

بکارگیری نانوتکنولوژی در پوشش قطعات داغ توربینهای گازی

قطعات داغ توربین‌های گازی زمینی از سوپر آلیاژهای گرانقیمت ساخته میشوند که دوام خزشی نسبتاًبالایی داشته باشند. هزینه تامین مواد اولیه از یک سو و پیچیدگی روشهای تولید، ماشین کاری و کنترل کیفی از سوی دیگر سبب شده است که این قبیل قطعات قیمت تمام شدهبالایی داشته باشند. قطعات مذکور در تماس مستقیم با گازهای داغ هستند و در اثرعوامل تخریبی مختلفی از جمله سوخت مورد استفاده شوکهای حرارتی و شرایط محیطی آسیب میبینند. آسیبهای وارده به صورت کاهش ضخامت و تضعیف فلز پایه به دلیل خوردگی داغ، اکسیداسیون، فرسایش و پوسته شدن یا افت خواص مکانیکی در اثر نفوذ عوامل مضر به داخلزمینه آلیاژ بروز میکند.

در سه دهه گذشته تلاشهای زیادی برای افزایش مقاومت این آلیاژ‌ها انجام شده است تا بدین وسیله افزایش توام استحکام و مقاومت به اکسیداسیون وخوردگی و امکان بالا بردن دما جهت افزایش راندمان توربین فراهم شود و نیز بتوان ازسوختهای ناخالصتر و ارزانتر برای احتراق استفاده کرد. افزایش مقاومت به خوردگی آلیاژ، با بهبود ترکیب شیمیایی، اصلاح ریزساختار، کنترل دمای کاری و کاهش عوامل خورنده در محیط کاری صورت میگیرد.

همچنین افزودن یکسری از عناصر مانند کروم وآلومینیوم سبب افزایش مقاومت به خوردگی و اکسیداسیون میشود. اما افزودن این عناصر سایر خواص آلیاژ مثل استحکام و مقاومت به ضربه رابه شدت کاهش میدهد. از طرفی کاهش دمای کاری توربینها، راندمان را کاهش داده و مقرون به صرفه نخواهد بود. به منظور کاهش عوامل خورنده میتوان از فیلتر کردن سوخت، هوا و… استفاده کرد، ولی حذف کامل این عوامل امکانپذیر نیست. از این رو جهت برطرف کردن معضلات مذکور، استفاده از پوشش مطرح شده که فلسفه آن طراحی سیستمی مشتمل از یک آلیاژ با استحکام بالا برای تحمل تنشها و یک پوشش سطحی برای رسیدن به بالاترین خواص حفاظتی در برابر محیط باشد.

از بین پوششهای مرسوم میتوان به پوششهای سرامیکی (تک فاز و کامپوزیتی) وپوششهای کروم سخت اشاره کرد. اما همه این روش‌ها مشکلات مهمی دارند که باعث محدودیت در استفاده از آن‌ها میشود. آبکاری کروم، همراه با مواد سمی و خطرناک است و رفع آن‌ها هزینه بسیار زیادی میطلبد، از طرف دیگر پوششهای پلاسمایی سرامیکی، قیمت کمتری نسبت به کروم سخت دارند، اما تردند و چسبندگی خوبی با زمینه ایجاد نمیکنند. از این رو جایگزینی این پوشش‌ها با پوششهایی که این مشکلات را نداشته باشند بسیارمورد توجه است و در بین راههای مختلف، نانوساختارسازی پوششهای سرامیکی از بهترین و جدیدترین شیوه‌ها محسوب میشود.

با توجه به تاثیر بسزای بکارگیری نانوساختارها در بهبود خواص پوششها، تاکنون تاثیر نانوساختارسازی روی خواص پوششهای مختلف موردبررسی قرار گرفته است. در این میان نانو پوششهای سد حرارتی (tbc) از اهمیت بسزایی جهت ایزوله کردن حرارتی اجزای داغ، برخوردارند، چرا که این پوشش، فلز را ایزوله میکند و باعث میشود که با بالاتر رفتن دمای کاری، بازدهی موتور افزایش یابد، دمای اجزای فلزی پایینتر بیاید و در نتیجه زوال، دیرتر صورت گیرد، احتیاج کمتری به خنک کننده باشد و احتمال زوال حرارتی کم شود، که این‌ها در مجموع منجر به بهبود کارآیی، بازدهی بیشتر و طول عمر بیشتر اجزای موتور توربینهای گازی میشود.

پوشش‌های سد حرارتی نانوساختار

بر اساس تحقیقات بعمل آمده، زوال پوششهای سد حرارتی در سیکل‌های حرارتی، هنوز مشکل مهمی محسوب میشود که شدیداً عمر قطعه پوشش داده شده را کم میکند. این زوال ناگهانی معمولاً بر اثر پوستهای شدن پوشش سرامیکی واقع می‌شود کهبا ریز کردن ابعاد ذرات و کریستال‌ها در پوششهای نانوساختار معضل مذکور برطرفمیشود. عمده‌ترین روشی که برای پوسش سد حرارتی در حالت نانوساختار بکار گرفته میشود، پوشش دهی پلاسمایی است.
اصول پوشش دهی پلاسمایی معمولی و نانوساختار، عملاً تفاوتی با یکدیگر ندارند. مبانی پوششدهی پلاسمایی بدین صورت است که یک گازخنثی از ناحیهای که تخلیه الکتریکی شده، عبور میکند و دمای آن بسیار بالا میرودتا گاز یونیزه شود. گاز یونیزه شده از داخل یک نازل، با نیروی بسیار و سرعت زیادخارج شده، از طرف دیگر ذرات پودری تغذیه در مسیر حرکت پلاسما قرار گرفته، داغ و ذوب شده، به طرف فلز پایه هدایت میشوند .

نکته ای که در این راستا مطرح است این است که استفاده مستقیم از پودر با ذرات نانو، امکانپذیر نیست چون نانو ذرات نمیتوانند با تزریق در ناحیه پلاسما به خوبی اسپری شوند چرا که اندازه این ذرات بسیار کوچک است و اندازه حرکت لازم برای رسوخ به پلاسما و ضربه زدن مناسب به سطح فلز پایه را ندارند از این رو تنها نکته این روش رعایت شرایط ویژه تهیه تغذیه مناسب برای پاشش به روی زطمینه جهت رسیدن به پوششهای نانوساختار است.

در روش پوشش دهی، پلاسمایی قطره‌های مذاب که روی فلز پایه یا پوشش منجمد شده قبلی پرتاب میشوند، پس از انجمادمرزی با بخش منجمد شده تشکیل میدهند که به آن مرزپرتابی گفته می‌شود. در نمونه‌های پاشش حرارتی شده معمولی، نواحی مرزهای پرتابی مکان مناسبی برای رشد ترک هستند، اما در پوششهای نانوساختار، مرزهای پرتابی توسط نواحی ذوب کامل نشده قطع میشوند و ترک از داخل مرزهای پرتابی رشد میکند که بارسیدن به این نواحی متوقف میشود و یا مسیرش منحرف میشود. علت بهبود سایش پوشش‌های نانو در مقایسه با پوششهای معمولی این است که به دلیل سادگی رشد ترک از مرزهای پرتابی.

کنده شدن ذرات ماده در اثر سایش راحتتر واقع میشود در حالی که در موردپوششهای نانوساختار به دلیل ریز بودن ترک‌ها و منحرف یا متوقف شدن آن‌ها در نواحی ذوب کامل نشده، کنده شدن جسم به سختی صورت میگیرد و مقاومت سایشی بهبودمییابد.

بکارگیری نانوتکنولوژی در افزایش راندمان سلهای خورشیدی

خورشید که به یک نیروگاه اتمی شباهت دارد، منبع شگفتانگیزی است. انرژی خورشید در اثر همجوشی هستهای بوجود میآید. درجه حرارت درون خورشید حدود ۱۵ میلیوندرجه سانتیگراد برآورد شده است، به صورتی که تن‌ها انرژی تشعشعی آن که پس از طی ۱۵۰۰۰ میلیون کیلومتر در مدت ۸ دقیقه به زمین میرسد. هزاران برابر مصرف کنونی جهاناست. میزان تابش خورشید و امکان استفاده از آن در کشوهای مختلف متفاوت است. ایران از این نظر در رده نخستین کشور‌ها قرار دارد، زیرا بنا بر محاسبات انجام شده میانگین سالیانه تابش خورشید بر هر متر مربع، ۲۲۰۰ کیلووات است. در سالیان گذشته حدود شش میلیارد دلار در جهان در زمینه استفاده از انرژی خورشیدی سرمایه گذاری شده است. انرژی خورشیدی را میتوان با روشهای گوناگون به سایر انواع انرژی تبدیل کرد. یکی ازاین روشها، استفاده از سلهای خورشیدی است.

سلهای خورشیدی ابزارهایی هستند که انرژی خورشیدی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکنند. در این تبدیل انرژی خورشیدی ابتدا به حرارت یا انرژی شیمیایی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل میشود. معمول‌ترین نوع سلهای خورشیدی بر اساس تبدیل مستقیم انرژی خورشیدی به الکتریسیته (فوتوولتائیک) بوده و ولتاژ حاصل از آن‌ها میتواند در یک مدار خارجی، جریان ایجاد کند و کار انجام دهد.