En azından Tennessee'deki Oak Ridge..."/> Geleceğin aracı metalle çalışacak - OtoGüncel Oto Haber Sitesi

Teknik Bilgiler AZ1_metal3

Published on Haziran 14th, 2010 | tarafından Dr. Abdullah DEMİR

0

Geleceğin aracı metalle çalışacak

En azından Tennessee’deki Oak Ridge Ulusal Laboratuarından araş­tırmacı Dave Beach böyle düşünüyor. Beach, taşıtlarımızın yakıt kullanım şeklini değiştiren bir yol buldu. Beach’in aklındaki, demir, alüminyum ya da bor gibi metalleri kullanmak. Bun­ları nanometre büyüklüğünde toz hali­ne getirdiğinizde son derece tepkili oluyorlar ve ateşlendiklerinde çok bü­yük miktarda enerji açığa çıkarıyorlar.
Beach, dönüştürülmüş bir motor ve metal dolu bir depoyla ortalama bir otomobilin benzinli bir araca göre üç kat daha çok yol alabileceğini hesaplı­yor. Üstelik metal nanoyakıtın yakılma şekli sayesinde geride hiçbir kirletici de kalmıyor. Bu, karbondioksit, toz, kurum ve azot oksit salınımının sı­fırlanması anlamına geliyor. Üstüne üstlük bu yakıt tümüyle geri dönüştü­rülebilir: Kullanılmış nano parçacıkları bir miktar hidrojenle yenilediğinizde yakıtınızı birçok kez yeniden kullana­bilirsiniz. Tüm bunlar yeni bir demir çağının başlangıcını müjdeliyor olabi­lir. Yalnızca otomobiller için de değil, evlerde ısıtma için kullanılan aygıtlar­dan elektrik santrallerinde kullanılan türbinlere kadar tüm motor çeşitleri metal yakacak şekilde uyarlanabilir.
Yakıt deponuzu demir tozuyla dol­durmak biraz garip gelebilir ama taşıt­lar metandan kömür tozuna ve baruta kadar birçok malzemeyle çalıştırılabili­yor. Öyleyse neden metal de bu yakıt­lardan biri olmasın? Ayrıca tozlaştırılmış demir, aynı miktardaki benzine gö­re neredeyse iki kat daha çok enerji sağlıyor. Demir yerine bor kullanıldı­ğında bu oran beş kata kadar çıkıyor.
Roketlerde yakıt olarak metal to­zu zaten kullanılıyor. Örneğin, bir miktar alüminyum, uzay mekiğinin ka­tı roket iticilerine ek bir güç sağlıyor. Ayrıca gücünü roketlerden sağlayan torpidolarda da metal tozu kullanılı­yor.
Yine de bir roketin motoruna me­tal koymakla, metali otomobil moto­runda kullanmak tümüyle birbirinden farklı işlemler. Demir ve alüminyum gi­bi metal tanecikleri, havayla temas et­tiğinde üzerleri oksitlenir ve bir taba­kayla kaplanır. Metal ateşlenmeden ön­ce bu tabakanın alınması gerekir. Ço­ğu metalde yanmayı başlatabilmek için 2000 °C’den daha yüksek bir sıcaklığı sağlayan bir ısı kaynağına gereksinim vardır. Bu sıcaklık, metalin üzerindeki oksitlenmiş tabakayı buharlaştırarak altta bulunan çıplak, tepken metal yü­zeyini ortaya çıkarır. Roketlerde bu iş­lem sorun oluşturmasa da otomobil motorları için durum o kadar basit değil­dir. Bir başka sorun da buharlaşan me­tal oksidin soğudukça katılaşarak küle dönüşmesidir. Yüksek sıcaklıklar ve kül bulutları yalnızca bir kez fırlatılan roketlerde sorun oluşturmaz ama içten yanmalı bir motorda metal tozu yak­maya çalışan birisi için ciddi bir sıkıntı oluşturabilir.
Oak Ridge’ten başka bir araştır­macı, Solomon Labinov, bu sorunu çok yakından biliyor. Çünkü 1980’li yılların başında Ukrayna’da Kiev’de bir mühendislik enstitüsünün müdürü ol­duğu dönemlerde ekibiyle birlikte iç­ten yanmalı motorlarda mikrometre düzeyindeki demir parçacıklarını yak­maya çalışmıştı. Motoru, yüksek sıcak­lıklarda çalışabilecek şekilde dönüş­türmüş olsalar da pistonlar, silindir du­varları ve supaplar üzerinde biriken oksit külünün motoru tıkadığını gör­düler. Bu sorunu aşacak bir çözüm yolu bulamayınca da projeden vazgeçti­ler. Labinov bundan kısa bir süre son­ra ABD’ye giderek Oak Ridge’te çalış­maya başladı. Projeyi burada gündeme getirdi ve 2003’te Beach’e ve Bobby Sumpter’a, karşılaşılan sorunu çöz­mek için, nano ölçeğinde parçacıklar kullanmayı önerdi.
Deneyler sırasında çapları yaklaşık 50 nanometre olan demir parçacıkları­nın, Labinov’un daha önce kullandığı büyük parçacıklara oranla çok daha kolay ateşlendiğini gördüler. Parçacık­ları yaklaşık 250°C’ye kadar ısıtmak (hatta küçük bir kıvılcım bile) ateşle­meye yeterli oluyordu. Çalışmalar ilerledikçe araştırmacılar, nano parçacık­ların büyük kuzenlerinden çok farklı şekillerde davrandığının farkına vardı­lar.
Yüzey alanının hacme oranı çok yüksek olduğu için nano parçacıklar çok daha kolay yanar. Demir, oksijenle hemen tepkimeye girer. Bu yüzden bü­yük miktarda demir aynı anda havayla temas ederse gerçekleşen oksidasyon, metali o anda ateşleyecek kadar ısı üre­tebilir. Bunu önlemek için nano parçacıklar genellikle oksitlenmeyi önleyici koruyucu bir tabakayla kaplı üretilir­ler. Oksit koruyucu tabaka bulunması­na karşın nano parçacıkların büyük yü­zey alanları küçük bir ısı artışında bile oksijen moleküllerinin yüzeyden geçe­rek ateşlemeyi tetiklemesine neden ola­bilir.
Bu durumun sonuçlarından biri, nano parçacıkların bir kez (örneğin, bir kıvılcım yardımıyla) ateşlendiğinde he­men yanarak sıcaklığın 800°C dolayına çıkmasının sağlamasıdır. Bu sıcaklık gerekli işi yapacak kadar yüksek ancak alaşımlı bir motoru eritmeyecek kadar da düşüktür. En kritik nokta da nano parçacıkların mikrometre düzeyindeki parçacıklardan farklı olarak, buharlaşacak ve hatta eriyecek kadar yüksek sıcaklıklarda yanmamasıdır. Sürecin sonunda, yalnızca oksitlenerek geride oksitlenmiş bir nano parçacık yığını bı­rakır. Bunun anlamı da silindir duvar­larında yapışma olmaması, dolayısıyla da motorun tıkanmamasıdır. Yanmanın sonucunda geride kalan düzgün demir oksit yığını Beach’in aklına şöyle bir düşünce getirmiş: ‘Demir oksidi yeni­den kullanılabilir yakıt durumuna dönüştürmek kolay olmalı’. Yanmış yakıtı hidrojen akımı altında 425°C’a kadar ısıttı. Demir oksit parçacıkları demire indirgendi ve hidrojen oksijenle birle­şerek su oluşturdu. Yakıt yeniden kul­lanım için hazır hale gelmiş oldu.
Parçacıkların olası bir yakıt olarak kullanılabilmeleri için, çözülmesi gere­ken bir sorun daha vardı. Nano parça­cıklar çok kısa bir sürede yanarak ta­şıdıkları ısının tümünü bir milisaniye dolayında salar. Ne var ki metal yakı­tın farklı birçok motor tipinde kullanı­labilir olması için ısı üretme hızının bu kadar yüksek olmaması gerekir. Bu yüksek hızda motor, oluşan ısıyı ve­rimli bir şekilde kullanamaz. Örneğin içten yanmalı motorlarda, yanma anın­da gerçekleşen her patlama 5-20 milisaniye kadar sürer. Eğer ısı bundan da­ha hızlı salınırsa, yakıtın kullanılma verimi düşer.
Bu yüzden ekip, nano parçacıkları daha büyük kümeler oluşturacak şe­kilde sıkıştırarak yanma hızını düşür­meyi denedi. Amaçları, hem oksijenin nano parçacıklara yayılma hızını hem de ısının parçacıklardan çıkış hızını sı­nırlayarak ısının yayılma hızını azalt­maktı. Plan işe yaradı. Beach ve çalışma arkadaşları her biri 1 ile 200 miligram arasında değişen nano parçacık küme­leri üretmeyi başardılar. Kümelerin bü­yüklük, şekil ve yoğunluklarını ayarla­yarak yanma hızını kontrol altında tuttular. Tek bir parçacık milisaniyeler içinde yanarken büyük kümeler 500 milisaniyeden 2 saniyeye kadar değişen sürelerde yanıyordu.
Araştırmanın ilk aşamasının bitme­si üzerine ekip şimdi bu yakıtla çalışa­cak bir otomobil tasarlamayı planlıyor. Beach jet uçaklarında bulunan gaz türbinleriyle tank gibi taşıtlar ve hatta santrallerde elektrik üretmek için kul­lanılan dıştan yanmalı motorları dön­üştürmenin daha kolay olacağını dü­şünüyor. O, çok zorluk çekilmeden bu tür motorların metal yakıtla çalışabile­ceğini düşünse de yakıt besleme sistemlerinde birtakım değişiklikler yapıl­ması ve kullanılmış yakıtı toplamak için bir yolun bulunması gerekiyor.
Bir başka seçenek de yeni yakıtı bir Stirling motorunda kullanmak. Stirling motoru, pistonu hareket ettirmek için bir akışkanın art arda soğutulup ısıtıl­masına dayanan verimli bir dıştan yan­malı motor tipi. Bu motorlar evlerde birleştirilmiş ısıtma ve elektrik birimle­rinde ve uyduların soğutulmasında kullanılıyor.
Otomobillere gelindiğindeyse Stir­ling motoru kullanmak, olası bir seçe­nek: Ford’un da aralarında olduğu ba­zı otomobil şirketleri ve NASA araçlar­da kullanılacak Stirling motorunun deneylerini çoktan yaptı bile. Ama Beach’in asıl umudu, metal yakıtın içten yanmalı bir motorda da kullanılabil­mesi. Klasik bir dizel motorun dizel ya­kıt bulutunu kullanması gibi değiştiril­miş bir dizel motor da nano parçacıklı tozu yakıt olarak kullanabilir.
Beach, yakıt deposunda duran me­tal tozu ya da kümelerinin, yanma için gerekli oksijeni de sağlayacak hızlı bir hava akımıyla motor silindirlerine püskürtülebileceğini öne sürüyor. Buji, ateşlemeyi başlatacak ve kullanılan ya­kıt egzoz gazlarıyla birlikte silindirden dışarı atılacak.
Beach’in ekibi, kullanılmış yakıtı toplamanın da bir yolunu bulmak zo­runda. Bir olasılık yakıtı, hareketli bir zarla ikiye bölünmüş yakıt kutusunda depolamak. Yakıt kutusunun bir bölü­münde kullanılmamış, öteki bölümündeyse yanmış yakıt bulunacak. Kulla­nılmış yakıt bir filtreyle ya da demir ok­sit tozunun manyetik özelliğinden ya­rarlanılarak bir elektromıknatıs aracılı­ğıyla toplanabilir. Sürücü, yakıt almak istediğinde yakıt kutusu, dolum istas­yonunda yerinden çıkartılır ve yenisiy­le değiştirilir. Eski yakıt yeniden kulla­nım için hazırlanır.
Sonuçta elde edilen motor klasik bir motordan çok farklı olmayacak. En büyük fark havaya karbondioksit, zararlı parçacıklar ve azot oksitle­rin bırakılmayacak olması. Beach, kümelerin boyutlarını değişti­rerek sıcaklığın 525°C’a kadar düşürülebildiğini gösterdi. Yine de hâlâ sı­caklık, yanma hızı ve motor verimi ara­sındaki dengeyi bulabilmek için çok ça­lışılması gerekiyor.
Metal yakıtla çalışan bir taşıt hem kullanıcıları hem de çevrecileri mutlu edecektir. Beach, deposunda 33 litre­lik demir yakıtı bulunan bir arabanın kat edeceği yolu, benzin ya da dizelle çalışan bir aracın ancak 50 litrelik bir depoyla gidebileceğini hesaplamış.
Ağır yük
ABD’de Colorado Snowmass’te bu­lunan Rocky Mountain Enstitüsü’nden Nathan Glasgow’a göre en önemlisi ağırlık sorunu olmak üzere hâlâ bazı ciddi sakıncalar bulunuyor. Demir, hid­rojenle karşılaştırıldığında daha küçük bir hacim kaplasa da çok ağırdır. Ben­zin dolu 50 litrelik bir deponun sağla­yacağı enerji, içerdiği yüksek enerji sa­yesinde hacmen yarısı büyüklüğünde demir dolu bir depoyla sağlanabilir. Ama demir dolu bir depo yaklaşık 100 kg olduğundan benzin dolu bir depo­ya göre iki kat ağır olacaktır. Konvansiyonel yakıtlar kullanıldıkça çevreyi kirleten yan ürünler açığa çıkar ve deponun ağırlığı giderek azalır. Halbuki kullanılmış metal yakıt araçta tutula­cağından ağırlık hiç azalmayacaktır. Tüm yolculuk boyunca bu ağırlığın ta­şınması gerekecektir. Geri dönüşüm tesislerine gidip gelirken de yakıtın ağırlığı ek bir maliyete neden olacak­tır.
Kanada, Alberta’daki Calgary Üni­versitesinden fizikçi David Keith, bu buluşun uygulanabilir olduğunu düşü­nüyor ama yakıt olarak demir kullanı­mında temel bazı zorluklar olduğuna inanıyor. Keith, her şey düzgün çalışsa da yakıtın gerçekten kullanılabilir ol­ması için çok ağır olduğunu belirtiyor.
Temiz, çevreci bir sürüş için belki de hidrojen gerçekten son nokta. De­mire göre kilogram başına 12 kat daha çok enerji içeriyor. Beach bu konuda hâlâ ikna olmamış. Hidrojen kuşkusuz önemli ama deponuzu hidrojenle dol­durmak istemezsiniz diyor ve ekliyor “Bizim söylediğimiz, metal yakıtın hid­rojenden daha kullanışlı, güvenli ve pratik bir enerji kaynağı olduğu.” Ay­rıca mühendisler, hidrojenin benzine alternatif olması için hâlâ çok yoğun bir şekilde hidrojeni büyük miktarlar­da depolamanın yollarını arıyorlar. Bu­nun yanında metal yakıt, oda sıcaklı­ğında kararlı ve bu nedenle depolan­ması ve taşınması kolay. “Ortam basın­cında elimizde bir katı var. Bir yerden başka bir yere taşımak ya da uzun sü­re depolamak sorun olmayacaktır.” di­yor Beach.
Bunlara ek olarak metal yakıt kul­lanılırsa karşılaşılmayacak ama hidro­jenle çalışan arabalarda yaşanacak çok önemli bir sorun daha var. Hidrojen ya­kıt pillerinde oluşan su genellikle at­mosfere karışır. Kimi iklimbilimciler, hidrojenle çalışan milyonlarca taşıttan kaynaklanacak çok büyük miktardaki su buharının küresel ısınmayı hızlan­dıracağından endişeli.
Metal oksidin hidrojenle geri dön­üştürülmesinin sonucunda da su olu­şacak belki ama su buharının ortaya çıkması, taşıt yolda ilerlerken değil, bü­yük geri dönüşüm birimlerinde olacak. Bu sayede suyu toplamak ve dönüş­türmek çok kolay olacak. Hatta elek­trolizle su yeniden hidrojene dönüştü­rülebilecek.
Hidrojenden tümüyle bile vazgeçi­lebilir. Karbon tutulumu uygulanabi­lir duruma gelirse, kullanılmış yakıt, karbonmonoksitle işlenerek karbon­dioksit oluşumu sağlanabilir. Karbonmonoksit havagazı üretiminde belli başlı yan ürünlerden biri. Kömür endüstrisi küresel ısınmaya olan kat­kısını azaltmaya çalıştıkça havagazı üretimi gittikçe daha çok önem kaza­nıyor. Karbonmonoksit yakıtın geri dönüşümü için kullanıldığında endüs­tri elindeki kömürden daha öncekine göre daha çok kullanılabilir enerji sağlayacak.
Beach ağırlık sorununa bile bazı çözümler getirmiş durumda. Örneğin demir yerine alüminyum nano parça­cıklar kullanıldığında kilogram başına dört kat daha çok enerji elde ediliyor. Borda ise bu oran 6’ya çıkıyor. Doğal olarak bu metaller demire göre daha pahalı olduğundan yakıt da daha pa­halı olacak. Örneğin alüminyum, de­mirden 15 kat daha pahalı.
Şurası açık ki metal yakıt için daha çok erken. Beach’in, yakıtının uygun maliyetli olup olmadığını anlayabilmesi için ayrıntılı bir inceleme yapması ge­rekiyor. Ekip nano parçacıkların bo­yutlarını optimize etmek ve gerçek bir motorda paketleme, püskürtme ve ge­ri toplamanın en uygun yollarını bul­mak için bir dizi deney planlıyor. Her şey yolunda gitse bile hiçbir yerde do­lum istasyonu yokken çalışan ilk oto­mobili kim satın alacak ve çevrede me­talle çalışan hiç otomobil yokken do­lum istasyonları ağını kim kuracak? Ama en azından metal yakan araçlar, benzinlilerin alternatifleri listesinde ye­ni bir madde. Ne olursa olsun Beach’in ilginç düşüncesi olası ve sıradışı bir se­çenek oluşturmuş durumda.
Kaynak: Kleiner, K., “The New Iron Age”, NewScientist, 22 Ekim 2005; Çeviri: Cumhur Öztürk, “Geleceğin Yakıtı – Tozlaştırılmış Metal”, Bilim ve Teknik, Aralık 2008.

Tags:



Yazar Hakkında

1973 yılında Trabzon’da doğdu. İlk, orta ve liseyi Trabzon’da tamamladı. 1992 yılında Marmara Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümünü kazandı. 1996 yılında Otomotiv Öğretmeni olarak mezun oldu. 1996-1999 yılları arasında “Toplu Taşım Araçlarında Otomatik Vites Kutusu Uygulaması ve İşletme Maliyetlerine Etkisi” konulu tez çalışmasıyla yüksek lisansını tamamladı. 1997-2000 yılları arasında Marmara Üniversitesinde Araştırma Görevlisi olarak çalıştı. 2009 yılında Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsünde “Fren Disklerine Uygulanan Kaplamaların Frenleme Performansına Etkisinin Deneysel İncelenmesi” konulu tezi vererek doktor unvanını aldı. Demir, İSPARK AŞ’de sırasıyla, Teknik İşler Şefi, İşletmeler Müdürü, Etüt Plan ve Proje Müdürü, Etüt ve Planlama Müdürü olarak çalıştı. 17.11.2011 tarihinde Marmara Üniversitesi Teknoloji Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü’nde Yardımcı Doçent unvanıyla öğretim üyeliğine başladı. Başta otomotiv olmak üzere, güç aktarma organları, alternatif yakıtlar, ulaşım ve otopark yönetimi alanlarında ulusal ve uluslararası dergilerde, kongre ve sempozyumlarda yayımlanmış 30 makale çalışması bulunmaktadır. Ayrıca “Otopark Uygulamalarında Teknoloji, Çevre ve Emniyet Faktörleri”, 52 bin kelimelik “Otomotiv ve Temel Teknik Bilimler Sözlüğü”, 2500 kelimelik “Otopark Endüstrisi Sözlüğü”, 11 bin kelimelik “Sistem Sistem Otomotiv Teknik Terimler ve Terminolojiler Sözlüğü” gibi yayımları da bulunmaktadır. Haftalık Otohaber dergisinde yaklaşık 4 yıl süre ile teknik danışmanlık ve okur soruları editörlüğü, www.otomotivbilgi.com web sitesinde yayımlanmış 43 haftalık yazısı, www.otoguncel.com ve www.nenedir.net web sitelerinin editörlüklerini yürütmektedir. Aynı zamanda Wushu spor dalında hem Uluslararası Hakem hem de Merkez Hakem Kurulu Üyesi’dir. Uluslararası Wushu Sanda Hakemlik Kuralları Tercümesi gibi yayımları olan Demir, İngilizce bilmektedir. Evli ve bir çocuk babasıdır.


Üste Git ↑