Παρά τη διαρκή πρόοδο στις εναλλακτικές πηγές ενέργειας, φαίνεται πως ο κινητήρας εσωτερικής καύσης (ΚΕΚ) έχει ακόμα δεκαετίες ζωής. Οπότε έχει νόημα η εξέλιξή του, προκειμένου να γίνει ακόμη πιο λιτοδίαιτος σε καύσιμο και να μολύνει λιγότερο το περιβάλλον.
Στα πλαίσια αυτά, είναι πιθανόν σύντομα να αποχαιρετίσουμε οριστικά το μπουζί -ένα από τα πιο εμβληματικά μέρη του ΚΕΚ, το οποίο τον συνοδεύει από το 1860, οπότε και εφευρέθηκε από τον Βέλγο Étienne Lenoir.
Ο λόγος; Ερευνητές του Εθνικού Ινστιτούτου Φυσικών Επιστημών της Ιαπωνίας (NINS) δουλεύουν πάνω στη δημιουργία αναφλεκτήρων λέιζερ. Οι οποίοι πιστεύουν πως τελικά θα αντικαταστήσουν τα κοινά μπουζί στους κινητήρες.
Τα «μπουζί» λέιζερ έχουν σημαντικά πλεονεκτήματα. Δεν είναι μόνο ότι προσφέρουν καλύτερες επιδόσεις και χαμηλότερη κατανάλωση καυσίμου. Παράλληλα μειώνουν και τις εκπομπές ρύπων στην ατμόσφαιρα.
Τα συμβατικά μπουζί κάνουν τη δουλειά τους δημιουργώντας με ρεύμα υψηλής τάσης έναν ηλεκτρικό σπινθήρα στο άκρο τους που βρίσκεται μέσα στον θάλαμο καύσης. Ο σπινθήρας αναφλέγει το καύσιμο μείγμα, προκαλώντας την ελεγχόμενη έκρηξή του. Αυτή η έκρηξη είναι που σπρώχνει το έμβολο προς τα κάτω, προκαλώντας τη λειτουργία του κινητήρα.
Ένα βλαβερό παράγωγο της διαδικασίας αυτής είναι τα τοξικά οξείδια του αζώτου (NOx) που μολύνουν την ατμόσφαιρα και συμβάλλουν σημαντικά στο «νέφος» και την όξινη βροχή. Οι κινητήρες εκπέμπουν λιγότερα οξείδια αζώτου όταν το εύφλεκτο μείγμα περιέχει περισσότερο αέρα και λιγότερο καύσιμο, όταν δηλαδή καταναλώνουν ένα «φτωχό μείγμα» όπως αποκαλείται.
Όμως ένα τέτοιο μείγμα για να καεί απαιτεί πολύ μεγαλύτερη ενέργεια.
Κάτι τέτοιο είναι μεν εφικτό με τη σημερινή τεχνολογία, όμως το απαιτούμενο βολτάζ θα έλιωνε τα ηλεκτρόδια των μπουζί σε πολύ μικρό χρονικό διάστημα. Αντίθετα οι αναφλεκτήρες λέιζερ μπορούν να αναφλέξουν πολύ φτωχότερα μείγματα χωρίς τον κίνδυνο να αυτοκαταστραφούν. Πολύ απλά επειδή δεν έχουν ηλεκτρόδιο.
Οι επιστήμονες του NINS ελπίζουν να ξεπεράσουν κι άλλο ένα μειονέκτημα των μπουζί. Το ότι αναφλέγουν μόνον το καύσιμο μείγμα που βρίσκεται γύρω από την ακίδα τους. Αυτό διότι μεγάλο μέρος της ενέργειας της έκρηξης απάγεται σαν θερμότητα από τα γύρω μέταλλα του κυλίνδρου και της κεφαλής, προτού φτάσει στο έμβολο.
Το λέιζερ αντίθετα μπορεί να εστιάσει την ενεργειακή ακτίνα του στο κέντρο του κυλίνδρου, από όπου η έκρηξη του μείγματος θα εκτεινόταν πιο συμμετρικά –και τρεις φορές πιο γρήγορα από ό,τι με ένα μπουζί, σύμφωνα με τις μετρήσεις.
Έτσι όμως οι μηχανικοί θα μπορέσουν να μεταβάλλουν και τον χρονισμό του κινητήρα. Δηλαδή να αλλάξουν τη χρονική στιγμή δημιουργίας του σπινθήρα της καύσης. Αυτό γιατί το λέιζερ δημιουργεί έναν παλμό ενέργειας σε νανοδευτερόλεπτα (δισεκατομμυριοστά του δευτερολέπτου), ενώ το μπουζί σε μόλις χιλιοστά του δευτερολέπτου. Δηλαδή τα λέιζερ είναι ένα εκατομμύριο φορές ταχύτερα.
Για την καύση του μείγματος, ένα λέιζερ θα πρέπει να μπορεί να εστιάσει το φως με ένταση περίπου 100 γιγαβάτ ανά τετραφωνικό εκατοστό, με ενεργειακούς παλμούς των 10 μιλιτζάουλ (millijoule).
Ως τώρα κάτι τέτοιο ήταν δυνατόν μόνον μέσω μεγάλων, μη αποδοτικών και μάλλον ασταθών λέιζερ. Οι επιστήμονες του NINS όμως κατάφεραν να δημιουργήσουν ένα μικρό, στιβαρό και αποδοτικό λέιζερ που τα καταφέρνει εξίσου καλά.
Το πέτυχαν υπερθερμαίνοντας κεραμικές πούδρες τις οποίες κατόπιν ανέμειξαν με διαφανή στερεά υλικά, στα οποία τέλος ενσωμάτωσαν μεταλλικά ιόντα προκειμένου να «χειριστούν» –δηλ. ρυθμίσουν- τις ιδιότητές τους.
Έτσι ο αναφλεκτήρας λέιζερ που κατασκεύασαν έχει πλάτος μόλις 9 χιλιοστά και μήκος 11 χιλιοστά. Αποτελείται από δύο κολλημένα μεταξύ τους μέρη κατασκευασμένα από κράμα ύτριου-αλουμινίου-γαλλίου και εκπέμπει δύο παλμούς που αναφλέγουν το μείγμα σε δύο διαφορετικά σημεία του θαλάμου καύσης, προκαλώντας την ταχύτερη αλλά και πιο ομοιόμορφη έκρηξη.
Μάλιστα τώρα οι Ιάπωνες προσπαθούν να κατασκευάσουν ένα λέιζερ τριών ταυτόχρονων παλμών. Το λέιζερ αυτό δεν μπορεί να καύσει το μείγμα με έναν παλμό, μπορεί όμως να δημιουργήσει πολλαπλούς παράλληλους παλμούς με διάρκεια 800 πικοσεκόντ (τρισεκατομμυριοστό του δευτερολέπτου).
Για την ώρα ο αναφλεκτήρας λέιζερ δεν έχει δοκιμαστεί σε αυτοκίνητο. Η επιστημονική ομάδα συζητά τώρα τους όρους συνεργασίας με έναν μεγάλο κατασκευαστή μπουζί και με την DENSO Corporation, έναν γίγαντα στην κατασκευαστή αυτοκινητικών ανταλλακτικών.
Η έρευνά τους θα παρουσιαστεί τον ερχόμενο μήνα στο Συνέδριο Λέιζερ και Ηλεκτρο-Οπτικής στην Βαλτιμόρη.
Θανάσης Χούντρας
