كاربرد نانو تكنولوژی در صنعت برق

[mohamad.s]

كاربرد نانو تكنولوژی در صنعت برق زمانی كه قرن بیستم آغاز شد، افراد معمولی بسیار سخت میتوانستند درك كنند كهخودروها و هواپیماها چگونه كار میكنند. بهرهگیری از انرژی اتمی فقط در حد تئوریوجود داشت و شاید اكنون نیز برای عدهای در ابتدای قرن بیست و یكم بسیار سخت باشدكه باور كنند بشر روبوتهای میكروسكوپی خواهد ساخت و خط مونتاژ میكروسكوپی داشتهباشد. تولید چنین محصولات خارقالعادهای حاصل بخشی از دانش بشری است كه به آننانوتكنولوژی میگویند. بحث نانوتكنولوژی یكی از رایجترین مباحث در مجامع علمیدنیاست و كشورهایی كه نتوانند در این فنآوری موقعیت مناسبی بدست آورند، در آیندهدر بسیاری زمینهها از گردونه رقابت اقتصادی خارج میشوند چرا كه از جمله مهمترینشاخصههای قابلیت اقتصادی در آینده، توانایی خروج موفقیتآمیز از بحران انرژی است واز نانوتكنولوژی به منزله سلاحی جدید برای مقابله با این بحران یادمیشود.
امروزه از طرفی به دلیل كاهش یافتن منابع اولیه انرژیهای فسیلی در دنیاو از طرف دیگر به دلیل ایجاد آلودگیهای شدید زیستمحیطی در اثر افزایش مصرف اینمنابع، توجه خاصی به منابع جدید تامین انرژی مانند انرژیهای خورشیدی، بادی و … میشود. اما استفاده از این منابع مستلزم دستیابی به تكنولوژی تبدیلكننده اینپتانسیلها به انرژیهای الكتریكی، مكانیكی و … است. (مثل پیلهای سوختی، سلهایخورشیدی و …)
دهد.


از سوی دیگر، نانو تكنولوژی، به سبب بهبود كیفی ابزارها، مصرف كمترمواد اولیه، مصرف كمتر انرژی، كاهش تولید مواد زائد و افزایش سرعت تولید در كشورهایپیشرفته به عنوان مهمترین روش تولید و ساخت این ابزارها، مطرح است. همچنین به كمكاین فناوری گامهای موثری در جهت كاهش آلودگی زیستمحیطی حاصل از سوختهای فسیلی،برداشته شده است. از این رو از مهمترین بسترهای بكارگیری نانوتكنولوژی در ساخت وتولید مبدلهای انرژیهای نو (مثل سلهای خورشیدی و پیلهای سوختی)، كاهش آلایندههایزیستمحیطی نیروگاههای گازسوز (با استفاده از كاتالیستهای احتراق) و افزایشراندمان این نیروگاهها (با بكارگیری نانوپوششها و نانومگنتها) است.

پیشرفتهای حاصله در زمینه نانوتكنولوژی (متالورژی)
تكنولوژی مواد،یك تكنولوژی بنیانی در زمینه فنآوری اطلاعات، حفاظت محیط زیست، بهینه سازی مصرف وتولید انرژی است. از سوی دیگر نانوتكنولوژی قابلیت بالایی در اصلاح خواص مواد موردمصرف و ابداع كاربردهای جدید برای مواد با كنترل ریزساختار آنها در ابعاد بسیاربسیار ریز دارد و از این رو میتوان ظهور آن را یك انقلاب بزرگ در ‎‎آغاز قرنبیستو یكم دانست. بطور كلی پیشرفتهای حاصل از نانوتكنولوژی در شاخه متالورژی رامیتوان به دو دسته تقسیم كرد:
الف) پیشرفتهای حاصله در ساخت و تولید
ب) پیشرفتهای حاصله در تغییر خواص مواد مورد مصرف یه كمكنانوتكنولوژی

پیشرفتهای حاصله در ساخت و تولید
در شاخه ساخت و تولید،امروزه مهمترین كارهای انجام شده در زمینه تولید نانوذرات ونانوپودرهاست. نانوپودرها موادی هستند كه به علت دارا بودن خواص منحصر به فرد خود در نوع خاصی ازتولید بنام «تولید پایین به بالا» مورد استفاده قرار میگیرند. در تولید پایین بهبالا به جای اینكه ماده مورد نظر را از تراش دادن ماده تودهای بسازند، آن را ازذرات و مولكولهای تشكیل دهندهاش میسازند. این روش باروش معمولی (تولید از بالا بهپایین) بسیار متفاوت است زیرا در تولید معمولی، حجم بسیار زیادی از مواد زاید حاصلاز تراش، دور ریخته میشود ولی در تولید پایین به بالا، علاوه بر اینكه چنین مشكلیوجود ندارد، استحكام ماده تولیدی نیز به علت كم شدن نواقص ریزساختاری بالامیرود.

پیشرفتهای حاصله در بهبود خواص مواد با نانوساختارسازی
محققان ودانشمندان علم مواد و فیزیك بر این باورند كه بسیاری از خواص فیزیكی مواد ارتباطتنگاتنگی با ریزساختار ماده (آرایش اتمی، تركیب شیمیایی و همگنی آرایش كریستالی یكجامد در یك یا دو یا سه بعد) دارد. بدیهی است با پذیرش چنین اصلی میتوانیم انتظارتغییر خواص فیزیكی یك جامد را در اثر تغییر یافتن یكی از پارامترهای مذكور داشتهباشیم. در ارتباط با نانومواد گزارشات متعددی در خصوص تغییرات خواص در اثر اینتحولات ارایه شده است كه با توجه به كاربردهای بسیار جالب آنها، تلاشهای زیادی جهتدرك پدیدههای نوظهور ایجاد شده در حال انجام است. در واقع تغییر در ساختار اتمیمواد، نقش تعیینكنندهای در كنترل خواص مواد نانوساختار دارد. به عنوان مثالكمشدن ابعاد دانه در حد نانونمتر اثر شدیدی بر تولید و حركت نابجائیها و در نتیجهافزایش چشمگیر استحكام تسلیم، سختی و چقرمگی دارد. همچنین مقاومت به سایش و خوردگیمواد نانوساختار از نمونههای معمول بیشتر است.

ریزساختار نانو مواد
دریك تقسیمبندی كلی انواع مواد نانوساختار میتوانند بر اساس تركیب شیمیاییكریستالیتها یا مرز دانهها، شكل بلوها و … در چهار گروه دستهبندی شوند. بر اساساین مدل در سادهترین حالت (گروه اول) كریستالیتها و نواحی مرزی دارای تركیبشیمیایی یكسان هستند. مثل پلیمرهای نیمه هادی كه در آنها لایههای كریستالی روی همچیده شده، توسط لایههای غیركریستالی جدا میشوند. این كریستالیتها، ساختاركریستالی متفاوت اما تركیب شیمیایی یكسانی دارند.
گروه دوم نیز مشابه گروه اولاست، با این تفاوت كه علاوه بر ساختار كریستالی، تركیب شیمیایی كریستالیتها نیز بایكدیگر متفاوت است. حالت سوم حالتی است كه یك كریستالیت غالب وجود دارد كه بیندانههای آن مرزدانه است. در اینحالت یك نوع اتم یا مولكول در نواحی مرزی بهگونهای تجمع مییابد كه هم تغییرات ساختاری و هم شیمیایی را به طور مضاعف داشتهباشیم. نوع چهارم جامدهای نانوساختار، میتواند بصورت توزیع كریستالهای نانومتری بااشكال مختلف (نظیر صفحهای، میلهای و …) در یك زمینه با تركیب شیمیایی متفاوتپدیدار شود (مثل آلیاژهای رسوب سختی شده)
بدین ترتیب میتوان با اعمال كنترلهایبسیار دقیق، شاهد تاثیرات نانوساختارسازی بر بهبود خواص مواد مورد استفادهبود.

بكارگیری نانوتكنولوژی در پوشش قطعات داغ توربینهای گازی
قطعات داغتوربینهای گازی زمینی از **** آلیاژهای گرانقیمت ساخته میشوند كه دوام خزشی نسبتاًبالایی داشته باشند. هزینه تامین مواد اولیه از یك سو و پیچیدگی روشهای تولید،ماشینكاری و كنترل كیفی از سوی دیگر سبب شده است كه این قبیل قطعات قیمت تمام شدهبالایی داشته باشند. قطعات مذكور در تماس مستقیم با گازهای داغ هستند و در اثرعوامل تخریبی مختلفی از جمله سوخت مورد استفاده شوكهای حرارتی و شرایط محیطی آسیبمیبینند. آسیبهای وارده به صورت كاهش ضخامت و تضعیف فلز پایه به دلیل خوردگی داغ،اكسیداسیون، فرسایش و پوسته شدن یا افت خواص مكانیكی در اثر نفوذ عوامل مضر به داخلزمینه آلیاژ بروز میكند.
در سه دهه گذشته تلاشهای زیادی برای افزایش مقاومت اینآلیاژها انجام شده است تا بدین وسیله افزایش توام استحكام و مقاومت به اكسیداسیون وخوردگی و امكان بالا بردن دما جهت افزایش راندمان توربین فراهم شود و نیز بتوان ازسوختهای ناخالصتر و ارزانتر برای احتراق استفاده كرد. افزایش مقاومت به خوردگیآلیاژ، با بهبود تركیب شیمیایی، اصلاح ریزساختار، كنترل دمای كاری و كاهش عواملخورنده در محیط كاری صورت میگیرد. همچنین افزودن یكسری از عناصر مانند كروم وآلومینیوم سبب افزایش مقاومت به خوردگی و اكسیداسیون میشود. اما افزودن این عناصرسایر خواص آلیاژ مثل استحكام و مقاومت به ضربه رابه شدت كاهش میدهد. از طرفی كاهشدمای كاری توربینها، راندمان را كاهش داده و مقرون به صرفه نخواهد بود. به منظوركاهش عوامل خورنده میتوان از ***** كردن سوخت، هوا و… استفاده كرد ولی حذف كاملاین عوامل امكانپذیر نیست. از این رو جهت برطرف كردن معضلات مذكور، استفاده ازپوشش مطرح شده كه فلسفه آن طراحی سیستمی مشتمل از یك آلیاژ با استحكام بالا برایتحمل تنشها و یك پوشش سطحی برای رسیدن به بالاترین خواص حفاظتی در برابر محیطباشد.
از بین پوششهای مرسوم میتوان به پوششهای سرامیكی (تك فاز و كامپوزیتی) وپوششهای كروم سخت اشاره كرد. اما همه این روشها مشكلات مهمی دارند كه باعث محدودیتدر استفاده از آنها میشود. آبكاری كروم، همراه با مواد سمی و خطرناك است و رفعآنها هزینه بسیار زیادی میطلبد، از طرف دیگر پوششهای پاشش پلاسمایی سرامیكی، قیمتكمتری نسبت به كروم سخت دارند، اما تردند و چسبندگی خوبی با زمینه ایجاد نمیكنند. از این رو جایگزینی این پوششها با پوششهایی كه این مشكلات را نداشته باشند بسیارمورد توجه است و در بین راههای مختلف، نانوساختارسازی پوششهای سرامیكی از بهترین وجدیدترین شیوهها محسوب میشود.
با توجه به تاثیر بسزای بكارگیری نانوساختارهادر بهبود خواص پوششها، تاكنون تاثیر نانوساختارسازی روی خواص پوششهای مختلف موردبررسی قرار گرفته است. در این میان نانو پوششهای سد حرارتی (tbc) از اهمیت بسزاییجهت ایزوله كردن حرارتی اجزای داغ، برخوردارند، چرا كه این پوشش، فلز را ایزولهمیكند و باعث میشود كه با بالاتر رفتن دمای كاری، بازدهی موتور افزایش یابد، دمایاجزای فلزی پایینتر بیاید و در نتیجه زوال، دیرتر صورت گیرد، احتیاج كمتری بهخنككننده باشد و احتمال زوال حرارتی كم شود، كه اینها در مجموع منجر به بهبودكارآیی، بازدهی بیشتر و طول عمر بیشتر اجزای موتور توربینهای گازی میشود. شكل (2) تاثیر حضور پوشش سد حرارتی را نشان میدهد.

پوششهای سد حرارتینانوساختار
بر اساس تحقیقات بعمل آمده، زوال پوششهای سد حرارتی در سیكلهایحرارتی، هنوز مشكل مهمی محسوب میشود كه شدیداً عمر قطعه پوشش داده شده را كممیكند. این زوال ناگهانی معمولاً بر اثر پوستهای شدن پوشش سرامیكی واقع می شود كهبا ریز كردن ابعاد ذرات و كریستالها در پوششهای نانوساختار معضل مذكور برطرفمیشود. عمدهترین روشی كه برای پوسش سد حرارتی در حالت نانوساختار بكار گرفتهمیشود، پوشش دهی پلاسمایی است.
اصول پوششدهی پلاسمایی معمولی و نانوساختار،عملاً تفاوتی با یكدیگر ندارند. مبانی پوششدهی پلاسمایی بدین صورت است كه یك گازخنثی از ناحیهای كه تخلیه الكتریكی شده، عبور میكند و دمای آن بسیار بالا میرودتا گاز یونیزه شود. گاز یونیزه شده از داخل یك نازل، با نیروی بسیار و سرعت زیادخارج شده، از طرف دیگر ذرات پودری تغذیه در مسیر حركت پلاسما قرار گرفته، داغ و ذوبشده، به طرف فلز پایه هدایت میشوند (مطابق شكل 3).
نكتهای كه در این راستامطرح است این است كه استفاده مستقیم از پودر با ذرات نانو، امكانپذیر نیست چوننانو ذرات نمیتوانند با تزریق در ناحیه پلاسما به خوبی اسپری شوند چرا كه اندازهاین ذرات بسیار كوچك است و اندازه حركت لازم برای رسوخ به پلاسما و ضربه زدن مناسببه سطح فلز پایه را ندارند از این رو تنها نكته این روش رعایت شرایط ویژه تهیهتغذیه مناسب برای پاشش به روی زطمینه جهت رسیدن به پوششهای نانوساختار است.
درروش پوششدهی، پلاسمایی قطرههای مذاب كه روی فلز پایه یا پوشش منجمد شده قبلیپرتاب میشوند، پس از انجمادمرزی با بخش منجمد شده تشكیل میدهند كه به آن مرزپرتابی گفته می شود. در نمونههای پاشش حرارتی شده معمولی، نواحی مرزهای پرتابیمكان مناسبی برای رشد ترك هستند اما در پوششهای نانوساختار، مرزهای پرتابی توسطنواحی ذوب كامل نشده قطع میشوند و ترك از داخل مرزهای پرتابی رشد میكند كه بارسیدن به این نواحی متوقف میشود و یا مسیرش منحرف میشود. علت بهبود سایش پوششهاینانو در مقایسه با پوششهای معمولی این است كه به دلیل سادگی رشد ترك از مرزهایپرتابی. كنده شدن ذرات ماده در اثر سایش راحتتر واقع میشود در حالی كه در موردپوششهای نانوساختار به دلیل ریز بودن تركها و منحرف یا متوقف شدن آنها در نواحی ذوبكامل نشده، كنده شدن جسم به سختی صورت میگیرد و مقاومت سایشی بهبودمییابد.

تاثیر نانو ساختار سازی بر بهبود خواص پوششها
بنا بر عقیدهمحققان، مهمترین پارامترها در بهبود و كارایی پوششهای (tbc) عبارتند از:
الف) افزایش استحكام و سختی
ب) افزایش مقاومت به خوردگی
ج) كاهش هدایتحرارتی
د) بهبود مقاومت به سایش
در نانو ساختارها به علت ریز شدن ابعاددانهها، سختی افزایش مییابد. همچنین به علت كوتاه شدن فاصله لغزش و دامنه حركتنابجائیها با ریز شدن ابعاد دانهها، استحكام این مواد در اثر تجمع نابجائیها پشتموانع بالاتر از استحكام مواد معمول است. از سوی دیگر افزایش شدید مرز دانه درپوششهای نانوساختار، سبب می شود كه برای غلظت معینی از ناخالصیهای داخل دانههامیزان ناخالصی در واحد مرز دانه كمتر از پوششهای معمول است و این خالص شدن مرزدانهها باعث ایجاد مورفولوژی یكنواختتری از مرزدانه و دانه میشود و در اثر اینامر، مقاومت به خوردگی نسبت به پوششهای معمول بیشتر میشود. همچنین ریزشدن دانهها،منجر به افزایش مرزدانه شده و كاهش هدایت حرارتی بر اثر پراكنده شدن فونونها دراینمرزها میشود.

بكارگیری نانوتكنولوژی در افزایش راندمان سلهایخورشیدی
خورشید كه به یك نیروگاه اتمی شباهت دارد، منبع شگفتانگیزی است. انرژیخورشید در اثر همجوشی هستهای بوجود میآید. درجه حرارت درون خورشید حدود 15 میلیوندرجه سانتیگراد برآورد شده است، به صورتی كه تنها انرژی تشعشعی آن كه پس از طی 15000 میلیون كیلومتر در مدت 8 دقیقه به زمین میرسد. هزاران برابر مصرف كنونی جهاناست. میزان تابش خورشید و امكان استفاده از آن در كشوهای مختلف متفاوت است. ایراناز این نظر دررده نخستین كشورها قرار دارد، زیرا بنا بر محاسبات انجام شده میانگینسالیانه تابش خورشید بر هر متر مربع، 2200 كیلووات است. در سالیان گذشته حدود ششمیلیارد دلار در جهان در زمینه استفاده از انرژی خورشیدی سرمایهگذاری شده است. انرژی خورشیدی را میتوان با روشهای گوناگون به سایر انواع انرژی تبدیل كرد. یكی ازاین روشها، استفاده از سلهای خورشیدی است.
سلهای خورشیدی ابزارهایی هستند كهانرژی خورشیدی را به انرژی الكتریكی تبدیل میكنند. در این تبدیل انرژی خورشیدیابتدا به حرارت یا انرژی شیمیایی و سپس به انرژی الكتریكی تبدیل میشود. معمولتریننوع سلهای خورشیدی بر اساس تبدیل مستقیم انرژی خورشیدی به الكتریسیته (فوتوولتائیك) بوده و ولتاژ حاصل از آنها میتواند در یك مدار خارجی، جریان ایجاد كند و كار انجام دهد