تحقیق درباره تاريخچه پیل سوختی

پیل سوختی اساساً وسیله ایست که سوخت (مانند هیدروژن، متانول، گاز طبیعی، بنزین و...) و اکسیدان (مانند هوا و اکسیژن) را به برق، آب و حرارت تبدیل می‌کند. به عبارت دیگر پیل سوختی شبیه یک باطری بوده ولی بر خلاف باطری نیاز به انبارش (شارژ) ندارد. تا زمانی که سوخت و هوای مورد نیاز پیل تأمین شود، سیستم کار خواهد کرد. پیل‌های سوختی میتوانند سوخت‌های حاوی هیدروژن مانند متانول( Methanol ) ، اتانول ( Ethanol) ، گاز طبیعی ( Natural Gas ) و حتی بنزین و گازوئیل را مورد استفاده قرار دهند. بطورکلی در سوخت‌های هیدروکربوری، هیدروژن توسط یک دستگاه اصلاحگر سوخت ( Fuel Reformer )، از آنها جدا شده و بکار گرفته می‌شود. پیل‌های سوختی در کاهش آلودگی محیط زیست نقش بسزائی داشته و بخاطر عدم بکارگیری قطعات مکانیکی زیاد، ایجاد آلودگی صوتی نیز نمی‌نماید. علاوه بر آن سیستم پیل سوختی از کارائی نسبتاً بالائی نسبت به موتورهای احتراق درونسوز برخوردار است. بحران انرژی در سالهای ۱۹۷۳ و ۱۹۹۱ و آلودگی فزاینده محیط زیست، کشورهای صنعتی را بر آن داشت تا جهت استفاده از سیستم‌هایی با راندمان بالا و سازگار با محیط زیست سرمایه گذاری کلانی نمایند. سیستم‌های پیل سوختی از جمله تکنولوژیهای پیشرفته ایست که مصارف غیر نظامی آن با توانهای میلی وات تا مگا وات موضوع تحقیق شرکتهای تولید نیرو، خودرو سازی و نیز شرکتهای نفتی قرار گرفته‌است. پیل سوختی مجموعه‌ای از الکترولیت ، الکترودها و صفحات دو قطبی است. در پیل سوختی(به‌عنوان مثال نوع الکترولیت پلیمر جامد)، هیدروژن از آند و اکسیژن از کاتد وارد می‌شوند. هیدروژن الکترون خودرا در آند از دست داده و بصورت پروتن از طریق الکترولیت به سمت کاتد حرکت می‌کند. الکترون نیز از طریق مدار خارجی به سوی کاتد هدایت می‌شود. اکسیژن با دریافت الکترون و پروتون به آب تبدیل می‌شود. حرکت الکترون از آند به کاتد جریان برق را به وجود می‌آورد که قابل استفاده در وسایل برقی است .آب حاصل در کاتد میتواند مورد استفاده مجدد قرار گیرد

اگر چه پيل‌سوختي به تازگي به عنوان يكي از راهكارهاي توليد انرژي الكتريكي مطرح شده است ولي تاريخچه آن به قرن نوزدهم و كار دانشمند انگلیسی سرویلیام گرو بر مي‌گردد. او اولين پيل‌سوختي را در سال 1839 با سرمشق گرفتن از واکنش الکترولیز آب، طی واکنش معکوس و در حضور کاتالیست پلاتین ساخت.

واژه "پيل‌سوختي" در سال 1889 توسط لودويک مند و چارلز لنجر به كار گرفته شد. آنها نوعي پيل‌سوختي که هوا و سوخت ذغال‌سنگ را مصرف مي‌کرد، ساختند. تلاش‌هاي متعددي در اوايل قرن بيستم در جهت توسعه پيل‌سوختي انجام شد که به دليل عدم درک علمي مسئله هيچ يک موفقيت آميز نبود. علاقه به استفاده از پیل سوختی با کشف سوخت‌های فسیلی ارزان و رواج موتورهای بخار کمرنگ گردید.

فصلي ديگر از تاريخچه تحقيقات پيل‌سوختي توسط فرانسيس بيكن از دانشگاه كمبريج انجام شد. او در سال 1932 بر روي ماشين ساخته شده توسط مند و لنجر اصلاحات بسياري انجام داد. اين اصلاحات شامل جايگزيني كاتاليست گرانقيمت پلاتين با نيكل و همچنين استفاده از هيدروكسيدپتاسيم قليايي به جاي اسيد سولفوريك به دليل مزيت عدم خورندگي آن مي‌باشد. اين اختراع كه اولين پيل‌سوختي قليايي بود، “BaconCell” ناميده شد. او 27 سال تحقيقات خود را ادامه داد تا توانست يك پيل‌سوختي كامل وكارا ارائه نمايد. بيكون در سال 1959 پيل‌سوختي با توان 5 كيلووات را توليد نمود كه مي‌توانست نيروي محركه يك دستگاه جوشكاري را تامين نمايد.

تحقيقات جديد در اين عرصه از اوايل دهه 60 میلادی با اوج گيري فعالیت‌های مربوط به تسخیر فضا توسط انسان آغاز شد. مركز تحقيقات ناسا در پي تامين نيرو جهت پروازهاي فضايي با سرنشين بود. ناسا پس از رد گزينه‌هاي موجود نظير باتري (به علت سنگيني)، انرژي خورشيدي(به علت گران بودن) و انرژي هسته‌اي (به علت ريسك بالا) پيل‌سوختي را انتخاب نمود.

تحقيقات در اين زمينه به ساخت پيل‌سوختي پليمري توسط شركت جنرال الكتريك منجر شد. ایالات متحده فن‌آوری پیل سوختی را در برنامه فضايي Gemini استفاده نمود كه اولين كاربرد تجاري پيل‌سوختي بود.

پرت و ويتني دو سازنده موتور هواپیما پيل‌سوختي قليايي بيكن را به منظور كاهش وزن و افزايش طول عمر اصلاح نموده و آن را در برنامه فضايي آپولو به كار بردند. در هر دو پروژه پيل‌سوختي بعنوان منبع انرژي الكتريكي براي فضاپيما استفاده شدند. اما در پروژه آپولو پيل‌هاي سوختي براي فضانوردان آب آشاميدني نيز توليد مي‌كرد. پس از کاربرد پيل‌هاي سوختي در اين پروژه‌ها، دولت‌ها و شركت‌ها به اين فن‌آوري جديد به عنوان منبع مناسبي براي تولید انرژي پاك در آينده توجه روزافزوني نشان دادند.

از سال 1970 فنآوري پيل‌سوختي براي سيستم‌هاي زميني توسعه يافت. تحريم نفتي از سال1973-1979 موجب تشديد تلاش دولتمردان امريكا و محققين در توسعه اين فن‌آوري به جهت قطع وابستگي به واردات نفتي گشت.

در طول دهه 80 تلاش محققين بر تهيه مواد مورد نياز، انتخاب سوخت مناسب و كاهش هزينه استوار بود. همچنين اولين محصول تجاري جهت تامين نيرو محركه خودرو در سال1993 توسط شركت بلارد ارائه شد

كاربردهاي پيل سوختي نيروگاهي

بازار مولدهای نیروگاهی پیل‌سوختی بسیار گسترده است و کاربردهای دولتی، نظامی و صنعتی را شامل می‌شود. همچنین به عنوان نیروی پشتیبان در مواقع اضطراری در مخابرات، صنایع پزشکی، ادارات، بیمارستان‌ها، هتل‌های بزرگ و سیستم‌های کامپیوتری به کار می‌رود.

پیل‌های سوختی نسبتاً آرام و بی‌صدا هستند لذا جهت تولید برق محلی مناسبند. علاوه بر کاهش نیاز به گسترش شبکه توزیع برق، از گرمای تولیدی از این نیروگاه‌ها می‌توان جهت گرمایش و تولید بخار آب استفاده نمود.

این نیروگاه‌ها در مصارف کوچک بازدهی الکتریکی بالایی دارند و همچنین در ترکیب با نیروگاه‌های گاز طبیعی بازدهی الکتریکی آنها به 70-80% می‌رسد.

مزیت دیگر این نیروگاه‌ها عدم آلودگی محیط زیست است. خروجی نیروگاه‌های پیل‌سوختی بخار‌آب می باشد.

نیروگاه‌های پیل سوختی قابلیت استفاده از سوخت‌های مختلف مانند متانول، اتانول، هیدروژن، گاز طبیعی، پروپان و بنزین را دارند و مانند سایر نیروگاه‌ها محدود به استفاده از یک منبع انرژی خاص نیست.

از زمانیکه اولین پیل‌سوختی نیروگاهی در دهه 60 تولید گشت، تا کنون در مجموع 650 سیستم کامل با توان بیش از 10 کیلووات (میانگین آن 200 کیلووات است) ساخته شد. تقریباً 90 درصد از این واحدها با گاز طبیعی تغذیه می شود. البته استفاده از سوخت‌های جایگزین نظیر بیوگاز و گاز ذغال نیز پیشرفت قابل ملاحظه‌ای داشته است.

در این بخش نیروگاه انواع متنوع پیل‌سوختی به کار رفته است. در ابتدا از پیل‌سوختی اسید فسفریک آغاز گردید و سپس پیل‌سوختی پلیمری و پیل‌سوختی کربنات مذاب جایگزین آن گشتند. در حالیکه پیل‌سوختی اکسید جامد در آینده بازار را به قبضه در خواهد آورد.

در بخش پیل‌های سوختی نیروگاهی کوچک (زیر 10 کیلووات) نیز رشد قابل ملاحظه‌ای را شاهد بودیم. تعداد این واحدها اکنون به 1900 رسیده است. این سیستم جهت مصارف خانگی و بازارهایی از قبیل UPS ونیروی پشتیبان در اماکن دوردست کاربری دارد. نیمی از محصولات در آمریکای شمالی توسعه یافته است.

در بخش سیستم‌های نیروگاهی کوچک 20 درصد سهم بازار را پیل‌سوختی اکسیدجامد و مابقی را پیل‌سوختی پلیمری تشکیل مي‌‌دهد. بازار پیل‌سوختی کوچک در ژاپن که به مصارف خانگی اختصاص دارد، منحصراً با پیل‌سوختی پلیمری است و امید است تا انتهای سال 2005 محصولات به بازار عرضه گردند.

فروش تعدادی از واحدهای نیروگاهی کوچک آغاز شده است که از جمله آنها سیستم GenCore شرکت PlugPower می باشد(توان 5 کیلووات، 15000 دلار)

دولت ژاپن حمایت خود از توسعه پیل‌های سوختی نیروگاهی در ابعاد بزرگ را از سال 1980 آغاز نموده است و شرکت های ژاپنی گاز توکیو و Osaca از بزرگترین شرکت های توسعه دهنده این فن‌آوری می‌باشند.

اساس کار پیلهای سوخت

پیلهای سوختی از یک واکنش الکتروشیميایی ساده که درآن از ترکیب اکسیژن و هیدروژن آب تشکیل میشود تولید انرژی الکتریکی می‌کنند انواع مختلف و متعدد پیل سوختی وجود دارد اما همه آنها بر اساس یک طراحی اصلی تشکیل شده از دو الکترود یک آند منفی و یک کاتد مثبت بنا نهاده شده‌اند. این دو الکترود بوسیله یک الکترولیت جامد و یا مایع که ذرات باردار الکتریکی را جابجا می‌کند از هم جدا شده‌اند. معمولاً از یک کاتالیزور مانند پلاتین جهت افزایش سرعت واکنش الکترونها استفاده می‌شود. پیلهای سوختی بر اساس طبیعت الکترولیت مورد استفاده در آنها تقسیم بندی می‌شوند .هر یک از آنها مواد و سوخت خاص مناسب با کاربردهای مختلف نیاز دارند.

انواع پیل سوختی

پيلهای سوختی در انواع زير موجود می‎باشند: پیل‎های سوختی براساس نوع الکترولیت استفاده شده در آن‎ها به پنج نوع اصلی طبقه بندی می‎شوند

پیل سوختی الکترولیت پلیمر یا غشاء مبادله کننده پروتونPEFC)

پیل سوختی اسید فسفریک PAFC

پیل سوختی کربنات مذاب MCFC)

پیل سوختی اکسید جامد (SOFC)

لازم به ذکر است که پیل سوختی متانول مستقیم (DMFC) از خانوادة پیل سوختی PEFC است. پیل‎های سوختی بر اساس دمای عملکرد ، دارای دامنة دمایی از ۸۰ برای (PEFC‎) تا ۱۰۰۰ برای (SOFC) می‎باشند. پیل‎های سوختی دمای پایین (PEFC ،PAFC ،AFC) دارای حامل‎های یونیH+ ویا OH- هستند که انتقال یون از میان الکترولیت وانتقال الکترون‎ها از طریق مدار خارجی را به عهده دارند ، و در پیل‎های سوختی دمای بالا مانند الکترولیت کربنات مذاب (MCFC) و الکترولیت اکسید جامد (SOFC) ، جریان الکتریکی به ترتیب از طریق یون‎هایCO۳۲- و O۲- انتقال می‎یابد. در پیل‎های سوختی اکسید جامد (SOFC) یا سرامیکی رسانش ‎یون در الکترولیت معمولاً در دمای بین ۶۰۰ تا ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد انجام می‎شود.

مزایای پیل‎های سوختی بطور کلی عبارت‌اند از:

بازده بالا

سازگاری با محیط زیست

سادگی سیستم از نظر تعمیر ونگهداری

تنوع در سوخت مصرفی

عدم آلودگی صوتی به سبب نداشتن قسمت‌های متحرک

طراحی و ساخت توان‎های کوچک (میلی وات ) تا بزرگ (مگاوات

امكان استفاده از سوختهاي فسيلی و پاك، مدولار بودن

قابليت توليد هم‌زمان حرارت و الكتريسيته و استفاده در كاربردهای توليد غيرمتمركز انرژی

معایب :

به مواد بیشتر و فرآیندهای سریعتری نسبت به دیگر پیل‎ها نیاز دارد

ممکن است در مدت طولانی کار ، گرما مشکلاتی چون ناسازگاری عناصر و افت انرژی را موجب شود.

در صورت استفاده از سوخت ناخالص ، کار و گرمای بیش از حد موجب رسوب کربن و در ‎‎‎‎نهایت مسمومیت پیل می‎گرد

مزایای پیل سوختی اکسید جامد

به علت عملکرد دمایی بالا دارای بیشترین راندمان نسبت به سایر پیل‎های سوختی می‎باشد.

از گرمای تولید شده می‎توان برای افزایش بازدهی مجدد استفاده نمود.

امکان بازسازی درونی سوخت به خاطر عملکرد دمایی بالا وجود دارد.

نیازی به کاتالیستهای گران قیمت ندارد.

برای استفاده از سوختهای مختلف نیازی به مبدل‎های سوخت نیست.

از آنجاییکه پیل سوختی اکسید جامد دارای الکترولیت جامد است مشکل خوردگی مواد کم می‎باشد .

برای ساخت اجزای پیل می‎توان از فن‎آوری لایه نازک استفاده نمود. ولی در پیل‎های سوختی با الکترولیت مایع چنین امری دست نیافتنی است.

پیلهای سوختی با غشاء تبادل پروتون:Proton Exchange Membrane Fuel Cells )PEMFC)

این تکنولوژی در دهه 1950 بوسیله شرکت جنرال الکتریک ابداع شد و بوسیله سازمان ناسا جهت تولید انرژی برای پروژه فضائی Gemini استفاده شد. در حال حاضر این نوع پیل سوختی است که اکثراً در شرکتهای اتومبیل سازی بعنوان جایگزین در موتورهای درونسوز بکار برده می‌شود.پیلهای سوختی با غشاء تبادل پروتون بنام غشاء الکترولیت پلیمری، الکترولیت پلیمری جامد، پیلهای سوختی الکترولیت پلیمری نیز شناخته شده‌اند.

در پیل سوختی PEM الکترولیت از یک غشاء نازک پلیمری (مانند پلی پرفلور و سولفوریک اسید) نافیون (Nafim TM ) که نفوذپذیر در پروتونهاست، اما هادی الکتریسیته نمی‌باشد و الکترودها از کاربن درست شده‌اند .هیدروژن در درون پیل سوختی به روی آند جاری شده و به پروتونها و الکترونها تقسیم می‌شود. یونهای هیدروژن از طریق الکترولیت به کاتود نفوذ می‌کنند، درحالیکه الکترونها از طریق یک مدار خارجی جریان کرده و تولید انرژی می‌نمایند. اکسیژن به صورت هوا به کاتد ارسال شده و با الکترونها و یونهای هیدروژن ترکیب گردیده و

تولید آب می‌کند.این واکنشهای روی الکترودها مطابق زیر می‌باشند.

2H2 ===> 4H + 4e: آند

O2+4H ===> 2H2O :کاتد

انرژي 2H2 +O2 ===> 2H2O +: نتیجه

پیلهای PEM در دمای حدود 80 سانتیگراد کار می‌کنند. در این دمای پایین واکنشهای الکتروشیمیائی معمولاً خیلی کند صورت می‌گیرد بنابراین از یک لایه نازک پلاتین روی هر یک از الکترودها بعنوان کاتالیزور استفاده می‌شود.

این دستگاه الکترولیت/ الکترود بنام مجموعه الکترود غشاء (MEA ) خوانده شده و بین دو صفحه ي جریان، میدان ساندویج گردیده تا یک پیل سوختی را بوجود آورد. این دو صفحه شامل شیارهايی جهت کانال هدایت سوخت به الکترودها و همچنین هدایت الکترونها به خارج از مجموعه MEA می‌باشد. هر پیل حدود 7/0ولت برق تولید مي کند.براي تولید ولتاژ های بالاتر تعدادی از این پیلها بطور سری بهم وصل گردیده و تشکیل ساختاری بنام مجموعه‌ پیل سوختی می دهند.پیلهای سوختی PEM دارای یک سری مزایا هستندکه باعث شده از آنها در اتومبیل و کاربردهای کوچک خانگی مانند جایگزین باطریهای قابل شارژ استفاده شود. پیلها در دمای نسبتاً پایین کار می کنند و لذا باعث استارت سریع از حالت سرد بوده و به دلیل داشتن دانسیته بالای انرژی داراي قابلیت ساخت با حجم کم و فشرده می باشند .بعلاوه پیلهای PEM با راندمان بالا حدود (40-50) درصد حداکثر ولتاژ تعریف شده در تئوری کار می‌کنند و میتوانند خروجی خود را بسرعت تغییر داده تا با تغییر در انرژی مورد نیاز سازگاری داشته باشند.

در حال حاضر دستگاههايی با نمایش قدرت تولید 50 کیلو وات مورد بهره‌برداری و عملیات قراردارد و دستگاههایی با قدرت تا 250 کیلو وات درحال توسعه است. بهرحال هنوز یک سری محدودیتها وجود دارد که باید قبل از اینکه این تکنولوژی گسترده تر شود بر انها غلبه کرد. مشکل اصلی قیمت بالا، مثل گرانی جنس غشاء وکاتالیزورمی باشد. اما نتیجه پژوهشها و طرحهای توسعه‌ای دردست اقدام بتدریج از قیمتکاسته و همچنین به هنگام تولید اندوده درمقیاس بالا جهشی بزرگ در کاهش قیمت و اقتصادی شدن آن خواهد نمود. مانع دیگر بر سر راه پیلهای PEM نیاز آنها به هیدروژن خاص جهت کارکردن میباشد. زیرا آنها خیلی حساس به مسمومیت با منواکسید‌کربن وناخالص های دیگر هستند و این عمدتا بدلیل دمای پایین عملیاتی پيل ضرورت استفاده ازکاتالیزورحساس در پیل را موجب میشود.بهر‌حال کارهايی در دست اقدام است تا یک سیستم کاتالیزور توام با غشاء با قدرت مانور بهتر تولید گردد که قادر به کارکرد با دمای عملیاتی بالاتر باشد.

پیلهای سوختی بازی :Alkaline Fuel Cell)AFC)

پیلهای سوختی بازی یکی از توسعه یافته ترین تکنولوژیها هستند و برای تهیه انرژی وآب آشامیدنی در ماموریت ها ی فضائی از جمله سفینه فضائی شاتل ایلات متحده آمریکا بکار برده شده اند. واکنش الکترو‌شیمیائی در آن قدری متفاوت است، بدین صورت که یونهای هیدرواکسیل (OH ) از کاتدبه طرف آند حرکت میکنند؛ تا در اثر واکنش با هیدروژن تشکیل آب و الکترون بدهند.این الکترونها جهت اعمال انرژی به مدار خارجی بکار ميروند، سپس دوباره به کاتد برگشته و در واکنش با اکسیژن و آب تولید مقادیر بیشتری از یونهای هیدرواکسیل (OH) مینمایند.

2H2 + 4OH ===> 4H2O + 4e: آند

O2 + 2H2O + 4e ===> 4OH :کاتد

پیلهای بازی در همان دمای عملیاتی مشابه پیلهای PEM ( حدود 80 سانتیگراد )کار می‌کنندو لذا سریع استارت هستند. اما دانسیته انرژی آنها حدود ده برابر کمتر PEM میباشد و بنابراین برای استفاده درموتور اتومبیل بسیار پرحجم اند.آنها بهر حال ارزان ترین نوع پیل سوختی هستند و بدین جهت میتوانند برای دستگاههای تولید برق کوچک و ثابت بکار برده شوند. پیلهای بازی مشابه پیلهای PEM شدیداً به منواکسیدکربن و ناخالصیهای دیگرکه موجب مسمومیت کاتالیزور میشوند حساس هستند.بعلاوه منابع تغذیه آنها باید عاری از دی اکسید کربن باشند، زیرا واکنش دی اکسیدکربن با الکترولیت هیدروکسید پتاسیم تشکیل کربنات پتاسیم میدهدکه باعث محدودیت در راندمان پیل می‌گردد.

پیل سوختی اسید فسفریک Phosphoric Acid Fuel Cell)PAFC)

پیل سوختی اسید فسفریک در حال حاضر پیشرفته‌ترین پیل سوختی تجاری است همانگونه که از نام آن استنباط می‌گردد در این پیلها از اسید فسفریک مایع بعنوان الکترولیت استفاده می‌شود معمولاً در یک قالب سیلیکون کارباید جا داده میشود. پیلهای سوختی اسید فسفریک در دمای کمی بالاتر از پیلهای PEM و بازی کار می‌کنند.(حدود 150 الی 200 درجه سلسیوس). با وجود این جهت ارتقاء واکنش ، نیاز به کاتالیزور پلاتین روی الکترودها دارند. واکنش آند وکاتد مشابه PEMمیباشد.ولی به علت دمای عملیاتی بالاتر، سرعت واکنش آن بيشتر است . اين افزايش دما موجب انعطاف پذيري بيشتر در مقابل ناخالصي ها مي گردد. پيلهاي اسيد فسفريک با يکي دو درصد منواکسيدکربن و مقدار کمي (چند جزء در مليون ppm) گوگرد موجود در جريان واکنش هنوز عملکرد درستی دارند. راندمان پیلهای اسید فسفریک کمتر از سیستمهای دیگر است. حدود چهل درصد و همچنین زمان بیشتری جهت گرم شدن نسبت به پیلهای PEM صرف می کنند علیرغم آن موانع و کاستيها یک سری مزایا در این تکنولوژی از قبیل سادگی ساخت، ثبات و تبخیر پذیری کمتر الکترولیت وجود دارد. پیلهای اسید فسفریک برای تامین انرژی الکتریکی در اتوبوسها بکار برده شده‌اند و تعدادی از آنها در سرویس عملیاتی میباشند، اما اینکه زمانی در اتومبیلهای شخصی بکار روند غیر متحمل است. پژوهش قابل ملاحظه‌ای در طول 20 سال نتیجه داده است که پیلهای اسید فسفریک کاربرد موفقیت آمیزی در دستگاههای غیر سیار داشته‌اند. در حال حاضر تعداد زیادی از این دستگاهها با قدرت خروجی بین 2/0 تا 20 مگا وات در سراسر دنیا جهت تهیه انرژی برق در بیمارستانها، مدارس و نیروگاههای کوچک نصب شده‌اند و در سرویس عملیاتی قراردارند

پیلهای سوختی کربنات ذوب شده :(Molten Carbonate Fuel Cells(MCFC

نحوه کار پیلهای سوختی کربنات ذوب شده نسبت به پیلهای دیگر تا کنون بحث شده کاملاً متفاوت است. در این پیلها از نمک کربنات لیتیوم پتاسیم ذوب شده و یا لیتیوم سدیم ذوب شده بعنوان الکترولیت استفاده میگردد. وقتی که نمک تا دمای 650 درجه سانتیگراد گرم شود، نمک ذوب شده و یونهای کربنات تولید می‌کند که از کاتد به آند جریان کرده و در آنجا با هیدروژن ترکیب شده و تولید آب و دی اکسیدکربن و الکترون می‌نماید. الکترونها از طریق یک مدار خارجی دوباره به کاتد برگشته و در سر راه خود تولید انرژی می کنند.

CO3 + H2 ===> H2O +CO2 + 2e: آند

CO2 +1/2 O2 + 2e ===> CO3 :کاتد

دمای بالائی که این پیلها در آن کار می کنند به این معناست که آنها قادرند بطور داخلی تشکیل هیدروکر مانند گاز طبیعی و نفت جهت تولید هیدروژن در درون ساختار پیل بدهند. در چنین دمای بالائی هیچگونه مشکل مسمومیت منواکسید وجود ندارد، گرچه مشکل گوگرد سر جای خود باقی است و بجای کاتالیزور پلاتین گران قیمت میتوان از نوع نیکل ارزانتر استفاده نمود. حرارت اضافی ایجاد شده میتواند در سیکل ترکیبی نیروگاها بکار رود. راندمان این نوع پیلها تا حدود 60 درصد است و در صورتی از گرمای تلف شده استفاده گردد میتواند تا 80 درصد افزایش یابد. دمای بالای کارکرد، بهر حال پاره‌ ای مشکلات را بوجود مي آورد. زمان قابل ملاحظه‌ای طول می‌کشد تا پیل به دمای عملیاتی برسد و این باعث میشود که پیل برای کاربردهای حمل و نقل نامناسب باشد و دمای بالا و طبیعت خورنده الکترولیت احتمالاً به این معناست که پیل برای تولید برق خانگی غیر ایمن است .راندمان بالای تولید انرژی پیل باعث جذابیت آن در استفاده در فرآیندهای صنعتی در مقیاس بالا و در توربین های تولید برق باشد. در حال حاظر پیل سوختی کربنات ذوب شده با ظرفیتهای تا 2 مگا وات به نمایش گذارده شده ولی ظرفیتهای 50 الی 100 مگا وات در دست طراحی است

پیلهای سوختی اکسید جامد

(Solid oxide Fuel cells (SOFC

پیلهای سوختی اکسید جامد در دمای حتی بالاتر از پیلهای کربنات ذوب شده کار می کنند. آنها از الکترولیت سرامیک بخار مانند اکسید زیر کونیوم تثبیت شده در اکسید yttrium بجای الکترولیت مایع استفاده مینمایند و در دمای بین 800 الی 1000 سانتگراد کار می کنند. در این پیلها انرژی از مهاجرت آنیونهای اکسیژن از طرف کاتد به آند جهت اکسیداسیون گاز سوخت، که بطور نمونه مخلوطی از هیدروژن و منواکسید‌کربن میباشد تولید می‌گردد. الکترونهای ایجاد شده در آند بوسیله یک مدار خارجی دوباره به کاتد در جائی که اکسیژن ورودی را کاهش می دهد برگشته و بنابراین سیکل واکنش را تکیمل می کند.

H2 + O ===> H2O + 2e: آند

O2 +4e ===> 2O :کاتد

CO + O ===> CO2 +2e

همانند پیلهای سوختی ذوب شده در این پیلها نیز دمای عملیاتی بالا به معنای مقاومت در برابر مسمومیت منواکسیدکربن میباشد زیرا همانگونه که در بالا مشاهده میشود منواکسیدکربن سریعاً به دی اکسید کربن تبدیل میگردد. این خود باعث عدم نیاز به استفاده از رفرمینگ خارجی جهت استخراج هیدروژن از ماده سوختی میباشد و این نوع پیلها میتوانند دوباره از نفت و یا گاز طبیعی استفاده کنند.پیلهای سوختی اکسید جامد همچنین بالاترین انعطاف را در برابر آلودگی با گوگرد نسبت به سایر تکنولوژیهای بحث شده و تا کنون از خود نشان میدهند. این پیلها بعلت استفاده از الکترولیت جامد نسبت به پیلهای سوختی کربنات ذوب شده پایدارترند اما مواد ساختمانی آنها به جهت نیاز به مقاومت در برابر دمای عملیاتی بالا گرانتر است.این پیلها میتوانند به راندمان حدود 60 درصد برسند و انتظار میرود که برای تولید برق و حرارت در صنعت و برای تهیه نیروی کمکی در اتومبیل بکار برده شوند.

پیلهای سوختی متانول مستقیم

(Direct Methanol Fuel Cells(DMFC

پیلهای سوختی متانول مستقیم تبدیلی از پیل سوختی با غشاء پروتون است که به طور مستقیم و بدون استفاده از رفرمینگ قبلی از متانول استفاده می‌کند. متانول به اکسیدکربن و هیدروژن در آند تبدیل میشود. پس از آن مشابه پیل سوختی PEM استاندارد هیدورژن جهت واکنش با اکسیژن بکار میرود.

CO2 + 6H + 6e CH3OH+H2O ===>: واکنش آند

3/2 O2 + 6H +6e ===>3 H2O: واکنش کاتد

CH3OH +3/2 O2 ===> CO2 + 2H2O : واکنش پیل

انتظار میرود که این پیلها در دمای حدود 120 درجه سانتیگراد قدری بالاتر از دمای عملیاتی پیل استاندارد PEM کار کنند و راندمان حدود چهل درصد داشته باشند. یکی از عیوب پیل متانول مستقیم دمای عملیاتی پایین و در نتیجه تبدیل متانول به هیدورژن و دی اکسید کربن است که نیاز به استفاده از مقادیر بیشتر کاتالیزور پلاتین نسبت به پیل استاندارد PEM دارد. بهر‌حال این افزایش هزینه نسبت به استفاده راحت از پیل سوختی مایع و عدم استفاده از کاتالیزور می چربد. تکنولوژی در پیش روی پیل سوختی متانول مستقیم هنوز در مراحل اولیه توسعه خود میباشد؛ ولی بهرحال کاربرد آن دز گوشیهای تلفن همراه و رایانه‌های کیفی (LABTOP ) با موفقیت نشان داده شده و توانائی و کارآئی و هدف نهائی استفاده از آن در سالهای آتی بروز داده خواهد شد.

پیلهای سوختی اصلاح شده : Regenerative Fuel Cells

این پیل سوختی اصلاح شده نسبتاً تازه است؛ اما توسط گروههایی در نقاط مختلف دنیا در دست مطالعه و پژوهش میباشد. تکنولوژی آن بر پایه همان پیلهای سوختی متفاوت است که در آن هیدروژن و اکسیژن جهت تولید انرژی، برق، گرما و آب بکار برده میشود.تفاوت در این است که پیل سوختی اصلاح شده واکنش معکوس را نیز انجام می‌دهد؛ یعنی الکترولیز می‌کند. آب تولید شده در پیل سوختی به الکترولیز کننده‌ای که با باطری خورشیدی کار می‌کند تقریباً و در آنجا به اجزاء تشکیل دهنده آن یعنی هیدروژن و اکسیژن تفکیک و سپس مجدّداً به پیل سوختی تغذیه می‌گردد. به این طریق یک سیستم بسته تشکیل شده که نیاز به تولید هیدروژن خارجی ندارد، توسعه یک سیستم تجاری آن بعید به نظر میرسد و مواردی مانند هزینه تمام شده آن که بیش از متعارف است و همچنین راههای مطمئن آماده سازی و استفاده از نیروی برق خورشیدی باید مورد بررسی دقیقتر قرار گیرد

تحقیق  در باره پلاريمتري ( Polarimetry )

اين روش براي تجزيه كمي و كيفي اجسامي كه فعاليت نوري دارند به كار مي رود. نور سفيد در تمام جهات ارتعاش دارد و اگر از اجسام Polaroid مانند بعضي مواد پلاستيكي يا بلورهاي طبيعي مانند كلسيت كه فرمول آنها CaCO3 است عبور كند به دو اشعه تقسيم مي شود. چون سرعت هر يك از دو اشعه در داخل بلور متفاوت است. در صورتي كه بلور را در امتداد يكي از قطب ها با  يك زاويه مناسب بريد و مجددا آن را با صمغي بنام كانادا بالسام بچسبانيم، جزئي كه اشعه عادي ناميده مي شود منعكس شده و خارج مي شود. در صورتي كه جزئي كه اشعه غيرعادي (پلاريزه) ناميده مي شود بدون شكست خارج مي شود ارتعاش اين نور در يك سطح و عمود بر جهت انتشار آن است اين بلور را كه نور پلاريزه ايجاد مي كند، منشور نيكل ناميده مي شود. اجسامي داراي فعاليت نوری هستند كه در ساختمان مولكولي آنها كربن نا قرينه (يعني اتم كربني كه به چهار گروه مختلف متصل باشد) وجود داشته باشد. اين اتم كربن باعث نامتقارن شدن مولكول مي شود و مولكول نمي تواند بر تصوير آينه اي خود منطبق باشد. اگر اين اجسام در مسير نور پلاريزه قرار بگيرند باعث چرخش نور پلاريزه مي شوند در صورتي كه جسم نور پلاريزه را در جهت عقربه ساعت بچرخاند ، راست گردان  (Dextrorotatory) مي گويند و چنانچه در جهت عكس عقربه ساعت بچرخاند ، آن را چپ گردان  (Levorotatory) مي گويند.

مقدار چرخش (الفا) با غلظت جسم (C) متناسب است. و يا می توان گفت نور پلاريزه وقتی از ترکيبات نامتقارن عبور کند، به علت پخش نامتقارن دانسيته الكتروني در مولكول، الكترونهاي مولكول بطور نامتقارن بر نور پلاريزه اثر مي گذارند و باعث چرخش آن حول محور انتشار مي شوند. مولكولهائي كه فعاليت نوري ندارند چون با پخش الكتروني متقارن مواجه هستند بر نور پلاريزه اثر ندارند.

تركيباتي كه تصوير آينه اي قابل انطباق نداشته باشند داراي ايزومر نوری هستند. دو ايزومر نوري يك زوج انانتيومر را تشكيل مي دهند. كه از نظر خواص فيزيكي و شيميایي يكسان هستند و فقط در جهت چرخش نور پلاريزه اختلاف دارند. مخلوط مساوي دو انانتيومر كه از نظر قدر مطلق يكسان ولي از نظر جهت مخالف هستند كاملا همديگر را خنثي مي كنند. چرخش حاصله صفر است به چنين مخلوطي راسميك مي گويند.

اجزاء و قسمتهاي مختلف دستگاه پلاريمتر:

1- منبع نور:

توليد كننده نور تك رنگ است، چون ميدان چرخش با  طول موج تغيير مي كند. لذا بايد به عنوان منبع از يك توليد كننده نور تك رنگ استفاده كرد. معمولا از لامپ بخار سديم (خط زرد D) استفاده مي شود. لامپ جيوه هم ممكن است بكار برده شود. طول موج لامپ سديم 589.3 A° لامپ جيوه °546 A

۲- شکاف( Slite) :

ميزان نور رسيده به نمونه را تنظيم مي كند.

3- عدسي:

نقش موازي كننده نور را دارد.

4- منشور نيكل :

 اولین منشور نیکل كه پلاريزور نام دارد و نور را پلاريزه مي كند.

5- سل نمونه:

استوانه اي شيشه اي است و جهت قرار دادن نمونه مورد آزمايش در داخل آن است طول آن ممکن است 1 ،  2 ، 3 ، 4  سانتیمتر باشد. (اگرحباب هوا داشت در برآمدگي سل بايد قرار گيرد.)

6- منشور نيكل :

دومین منشور نیکل كه آنالايزور(Analyzer) بعنوان تجزيه كننده است كه با چرخاندن آن مي توان نور پلاريزه را به حالت اول برگرداند و مقدارانحراف آن را بر حسب درجه از روي يك سطح دايره اي مدرج خواند.

در اين حالت روشنائي دو نيم دايره اي كه از عدسي چشمي ملاحظه مي شود به يك اندازه خواهد بود.

7- عدسي چشمي و ردياب (دتكتور):

معمولا از چشم انسان بعنوان ردياب استفاده مي شود. در دستگاههای پيشرفته فتوالکتريک هستند و تا 001/0 درجه را تعيين مي كند.

پلاريمتر نيم سايه:

يك پلاريزور كوچك متحرك بنام نيكل نيم سايه بعد از پلاريزور قرار دارد كه مي توان آن را با چرخاندن طوري تنظيم نمود كه مانع عبور نور شود. در اين حالت نيمي از دايره اي كه از عدسي چشمي ملاحظه مي شود سياه به نظر مي رسد، بعد شدت نور هر دو نيم دايره را به وسيله چرخاندن آنالايزور مساوي تنظيم مي كنيم. در اين حالت دستگاه بايد روي صفر باشد. با گذاشتن نمونه در مسير نور، شدت روشنائي دو نيم دايره فرق مي كند كه بايستي با چرخاندن آناليزور به حالت اول برگرداند و مقدار چرخش را كه a نام دارد از روي درجات خواند.

چرخش ويژه (انحراف مخصوص) Specific rotation :

زاويه a به چند عامل بستگي دارد. كه عبارتند از ماهيت تركيب، غلظت يا دانسيته (براي مايعات) طول نمونه اي كه بايد نور از آن عبور كند (طول مسير)، درجه حرارت، حلال، طول موج نور غلظت و طول مسير اهميت زيادي دارند چون تعداد متوسط مولكولهاي فعال نوری تعيين می شوند.

مقدار چرخش مخصوص براي يك جسم تحت شرايط معين ثابت است.

لذا از آن مي توان بعنوان يك ثابت فيزيكي مثل نقطه ذوب و نقطه جوش و غيره استفاده كرد. رابطه انحراف مخصوص با ازدياد درجه حرارت براي مقدار معيني از نمونه تغيير مي كند. براي تجزيه كمي با دانستن انحراف مخصوص يك جسم خالصی  كه در جداولي براي °C 20=t داده شده و اندازه گيري a با استفاده از فرمولهاي فوق مقدار C( غلظت) را مي توان حساب كرد.

يكي از مهمترين كاربردهای  پلاريمتري در صنايع قند است. وقتي محلولي فقط حاوي ساكارز باشد، پس از تعيين زاويه چرخش a بوسيله پلاريمتر مي توان غلظت آن را تعيين كرد. صفر پلاريمتر را بايستي با آب مقطر تنظيم نمود يا مقداري كه دستگاه براي آب مقطر نشان مي دهد را يادداشت كرد. يا مي توان منحني استاندارد براي a برحسب C رسم كرد. منحني ممكن است خطي، سهمي يا هذلولي باشد. چرخش مولكولي يك جسم در درجه حرارت T و طول موج لاندا به صورت   نمايش داده مي شود كه با انحراف مخصوص با رابطه زير  مربوط مي شود که M وزن مولكول جسم است.

تغييرات چرخش مولكولي را طول موج نور پلاريزه ORD مي گويند (Optical rotatory  dispersion)  كه براي تشريح فرمول اجسامي كه ساختمان پيچيده دارند به كار مي رود.

نقش نانو الياف نقش مهمي در فيلتراسيون مايعات و آب

يک تحقيق که توسط يک دانشجوي ايراني انجام شد، نشان داد که نانو الياف ها مي توانند نقش مهمي در فيلتراسيون مايعات و آب ايفا کنند.

اين دانشجو که کارشناس ارشد رشته مهندسى شيمى نساجى دانشگاه آزاد اسلامي است، در گفت و گو با خبرنگار علمي ايرنا گفت: استفاده از نانو الياف ها در فرآيند فيلتراسيون، بواسطه خواص ويژه اي که دارند، داراي پتانسيل کاربردي زيادي در صنايع فيلتراسيون است.

نانو الياف ها، بطور محسوس و مشهود در فيلتراسيون گازها موفق بوده اند، اما تاکنون از آنها در فيلتراسيون مايعات و آب استفاده نشده و ابعاد گوناگون آن ناشناخته مانده بود.

مهندس "حسام طاهري"، گفت که وي در طرح پايان نامه خود تحت عنوان "بکارگيري نانو الياف در فيلتراسيون آب"، امکان بکارگيري نانو الياف را در فيلتراسيون مايعات مورد بررسي قرار داد.

طاهري افزود: وي در اين تحقيق موفق شد با روش الکترو ريسندگي، نانو الياف را بر روي يک لايه فيلتر بي بافت پوشش دهد. سپس اين فيلتر را در دستگاه "تست فيلتراسيون مايعات" که کليه مراحل طراحي و ساخت آن توسط وي در دانشگاه آزاد اسلامي انجام شده است، آزمايش کرد.

طاهري گفت: نتايج بدست آمده از اين تحقيق نشان داد که با استفاده از اين نانو فيلتر مي توان آلودگي‌هايي را که امکان جداسازي آنها با فيلتر هاي رايج مرسوم وجود نداشت، جدا کرد. همچنين اين نانو فيلتر، روشي ساده تر و با صرفه تر براي فيلتراسيون مايعات ارائه مي دهد.

طاهري گفت که اين نانوفيلترها بسيار منحصر به فرد بوده و هر چه اندازه ذرات فيلتر شونده کوچکتر باشد، کارايي آنها بهتر مي شود.

وي در رابطه با ديگر خصوصيات و مزاياي اين نانوفيلترها گفت که شدت فيلتراسيون در اين نوع فيلترها حدود صدها برابر بيشتر از غشاهايي معمولي است.

اين کارشناس ارشد رشته مهندسى شيمى نساجى دانشگاه آزاد اسلامي، افزود: اين نوع فيلترها بر اثر نيروهاي الکترو استاتيک فعاليت مي کنند و تنها بر اساس اصول غربالگري کار نمي کنند، بنابراين کمتر با گرفتگي مواجه مي شوند.

اين نوع فيلترها به صورت فيلترهاي سطحي عمل مي کنند، يعني اندازه حفره هاي فيلترها طوري طراحي مي شوند که بتوانند آلودگي هاي آب با اندازه ذرات خاص را بر اساس اصول غربالگري جذب کنند.

طاهري گفت: فيلترهاي بي بافت نانو براي محدوده وسيعي از صنايع کاربرد دارد که از آن جمله مي توان تصفيه آب استخرها، تصفيه چشمه‌هاي آب معدني ،تصفيه فرآيندهاي شيميايي در صنعت، تصفيه آب شهري نام برد.

همچنين اين نانوفيلتر ها در کاربردهاي پزشکي- براي فيلترهاي دياليز خون -، در صنايع داروسازي، در صنايع نيروگاهي برق و در صنايع غذايي نيز کاربرد دارند.

طاهري در پايان گفت نتايج بدست آمده از آزمون هاي انجام شده با دستگاه تست فيلتراسيون مايعات، نشان داده است که فيلتر هاي مرسوم و متداول قادر به فيلتراسيون همه ذرات نيستند که اين مشکل با نانو فيلترها رفع مي شود و ديگر اينکه نانو الياف مي تواند نقش مهمي در فيلتراسيون مايعات و آب ايفا نمايد.

تعریف هوش  از دیدگاه رباتیکی ها

امروزه کلمه هوش در زندگی روزمره بسیار کاربرد دارد. واژه هوش در رشته های مختلف علمی ، دارای معانی متفاوتی است. منظور یک روان شناس از هوش با منظور یک فیلسوف متفاوت است. این تفاوت در جامعه هم وجود دارد مثلا وقتی می گوییم فلانی شخصی هوشمندی است و یا می گوییم فلانی این مشکلات را به طرز هوشمندانه ای حل کرده است دارای دو منظور متفاوت از هوش هستیم. قطعا تعریف هوش در مهندسی رباتیک نیز با تعریف هوش در رشته های دیگر متفاوت است.

در رشته های مهندسی وقتی از واژه هوش استفاده می کنیم قطعا منظورمان هوشمندی دستگاه ها و ماشین آلات می باشد. اما بین مهندسی ها نیز ، هوش معنای متفاوتی دارد. مثلا مهندسان مواد به آلیاژ هایی که در مقابل عبور جریان الکتریکی تغییر حجم می دهند هوشمند می گویند در حالی که شاید این تعریف از دید یک مهندس کامپیوتر خنده دار باشد. حتی ممکن است بین مهندسان کامپیوتر در هوشمندی یک دماپا (ترموستات) اختلاف باشد. اما به طور کلی در رشته های فنی و مهندسی چهار تعریف زیر بیشتر پذیرفته شده است:

* ماشینی هوشمند است که بهینه فکر کند.

* ماشینی هوشمند است که بهینه عمل کند.

* ماشینی هوشمند است که مانند انسان فکر کند.

* ماشینی هوشمند است که مانند انسان عمل کند.

با چهار تعریف فوق در می یابیم که دماپا (ترموستات) از نظر اکثر مهندسان یک ماشین هوشمند نیست. یک دیدگاه دیگر که طرفداران کمتری دارد هوشمندی را برابر «همه چیز دانی» به حساب می آورد. یعنی دستگاهی هوشمند است که همه چیز را بداند. متاسفانه طرفداران این دیدگاه فراموش کرده اند که موضوع هوش مربوط به عکس العمل درباره ندانسته ها است. لذا بحث بیشتر در باره این دیدگاه ارزش ندارد. اکنون باید به بررسی تفاوت این چهار دیدگاه بپردازیم.

دیدگاه اول یعنی بهینه فکر کردن در بین مهندسان کامپیوتر بیشترین رواج را دارد. برای اثبات این قضیه اشاره به این نکته کافی است که مهندسان کامپیوتر جهت مقایسه دو برنامه به معیار هایی نظیر سرعت اجرای برنامه و نیاز های سخت افزاری نظیر حجم حافظه مورد نیاز و ... ، توجه می کنند. عباراتی از جمله سیستم عامل های هوشمند، موتور های جست و جوی هوشمند در این دسته تفکر قرار دارند. کمپانی های عظیم نرم افزاری نظیر مایکروسافت، گوگل، آمازون و ... دارای این دیدگاه هستند.

دیدگاه دوم یعنی بهینه عمل کردن ، بیشترین طرفدار را بین مهندسان مکانیک، هوافضا، صنایع و عمران دارد. مثلا از دیدگاه آن ها ساختمانی هوشمند است که بهترین عکس العمل را در مقابل زلزله داشته باشد و یا مکانیزمی هوشمند تر است که دقت بیشتری داشته باشد و یا رباتی هوشمند است که کمترین مصرف انرژی و زمان را داشته باشد. این دیدگاه منجر به طراحی نرم افزار های مهندسی با محاسبات بسیار زیاد و وقت گیر ؛ و هچنین بهینه سازی با ریاضیات بسیار پیچیده جهت حل مسائل به ظاهر ساده شده است.

دیدگاه سوم یعنی مانند انسان فکر کردن ، بیشترین طرفداران را بین مهندسان برق دارد. در این دیدگاه سعی شده مدل های فکری انسان بازسازی شود. این مهندسان به فکر پیاده سازی مغز انسان هستند. مثلا بر پیاده سازی منطق فازی در سطح ترانزیستور می افتند. همچنین به فکر مخلوط کردن مسائل کنترلی با مدل شبکه های عصبی و منطق فازی هستند. از جمله معروف ترین شخصیت های حامی این تعریف می توان از آلن ماتیسون تورینگ پدر علم هوش مصنوعی نام برد. وی در سال ۱۹۵۰ در مقاله‌ای معیاری برای تعیین میزان هوشمندی رایانه پیشنهادکرد که پس از آن به آزمایش تورینگ معروف شد. وی در این مقاله بیان می دارد که «سزاوارترین معیار برای هوشمند شمردن یک ماشین، این‌ست که آن ماشین بتواند انسانی را توسط یک پایانه تله تایپ به گونه‌ای بفریبد که آن فرد متقاعد گردد با یک انسان روبروست.» ؛ اما تا به حال هیچ برنامه‌ای قادر به موفقیت در این آزمون نگردیده‌است.

دیدگاه چهارم یعنی مانند انسان عمل کردن ، به جز مهندسی رباتیک در هیچ رشته ی مهندسی ای طرفدار ندارد. مهندسان رباتیک سه تعریف قبلی را قبول ندارند. قبل از این که به چرایی قبول نداشتن آن ها بپردازیم لازم است به تبیین دیدگاه چهارم بپردازیم. در این دیدگاه ربات یا هر ماشین هوشمند دیگر ، مانند انسان می تواند خطا داشته باشد. اما همان طور که انسان از خطا های خود درس می گیرد ماشین هوشمند نیز باید درس بگیرد و درصدد رفع خطای خود در آینده باشد. در این دیدگاه بر خلاف دیدگاه های دیگر، معیار هوشمندی؛ رعایت ارزش ها ، کسب بیشترین پاداش ها و داشتن کمترین خطا ها (هزینه ها) است. یعنی رباتی که بیشترین ارزش ها را کسب کند هوشمند تر است. از این رو است که مباحثی چون اخلاق در رباتیک، رفتار گروهی ربات ها و ... مطرح می شود.

شاید در ابتدا برای شما سخت باشد که قبول کنید که انسان بهینه عمل نمی کند و بهینه فکر نمی کند. بدون شک افراد گوناگون به صورت متفاوتی فکر می کنند. ایجاد شورا ها به دلیل همین متفاوت فکر کردن انسان ها است. بر اساس ریاضیات می توانیم نتیجه بگیریم که اگر انسان ها بهینه فکر می کردند می بایست به یک نتیجه برسند. از این رو می توان نتیجه گرفت که انسان بهینه فکر نمی کند. همچنین با بررسی کوتاهی بر روی اعمال انسان می توان پی برد که انسان بهینه عمل نمی کند به عنوان مثال شما می توانید مسیر افرادی که پیاده قصد حرکت از مبدایی به مقصدی دارند را مورد مطالعه قرار دهید بدون هیچ گونه تردیدی مشاهده می کنید که هیچ کدام مسیر بهینه را نرفته اند.

اکنون این سوال پیش می آید که بهینه بودن عمل چه جایگاهی دارد؟ در پاسخ می توان گفت در رباتیک بهینه بودن اصل نیست. بلکه اصل ، انجام کار است. در کشاورزی گفته می شود برای برداشت بهینه از درختان بهتر است فاصله درختان از یکدیگر 1 متر باشد. اگر ما این مطلب را به یک کشاورز بگوییم پس از کاشت درختان می بینیم که فاصه درختان دارای خطا است مثلا یکی 1 متر و 5 سانتی متر و دیگری 90 سانتی متر است. سوالاتی که مطرح می شود این است که آیا این تغییر فاصله باعث کاهش چشمگیر برداشت می شود؟ آیا برای ایجاد فاصله دقیق یک متر ما باید از فاصله سنج لیزری استفاده کنیم؟ همان طور که پاسخ داده اید خطا مسئله مهمی نیست. در اکثر کار هایی که انسان انجام می دهد و قرار است با ربات جایگزین شود همین مسئله حکم فرما است. بهینه بودن یک ماشین ، نیازمند صرف هزینه زمانی و مالی بیشتر ، چه در طراحی و چه در تولید است. لذا با صرف نظر از بهینه بودن می توان هزینه محصول نهایی را بسیار کاهش داد در حالی که ربات کار خواسته شده را در حد قابل قبولی انجام می دهد..

همان طور که می دانید ربات و یا هر ماشین دیگری برای انجام کاری ویا کارهایی طراحی و ساخته شده است. برای یک مصرف کننده اهمیتی ندارد که این دستگاه مانند انسان فکر می کند یا بهینه فکر می کند و یا اصلا فکر نمی کند. رباتیک یک رشته کاملا کاربردی است لذا نحوه فکر کردن ربات تا اندازه ای مهم است که منجر به اختلاف هزینه شود. مثلا اگر دو طرز فکر کردن ، روی یک سخت افزار پیاده شود و مثلا یکی از 90% و دیگری از 60% منابع سیستمی استفاده کند از نظر رباتیک این دو یکسان هستند. در این مثال اگر طرز فکری که منجر به استفاده از 60% منابع سیستمی شده باشد زمان و نیروی بیشتری برده باشد (هزینه اقتصادی بالاتری جهت طراحی برده باشد) گزینه بدتری نسبت به طرز فکر دیگر است. اما اگر دو طرز فکر به حدی اختلاف داشته باشند که نیاز به سخت افزار متفاوتی داشته باشند در این جا طرز فکری مناسب است که سخت افزار ارزان تری نیاز داشته باشد. در نتیجه در رباتیک طرز فکر معیار هوشمندی نیست.

بنابراین از دیدگاه رباتیک ، ماشینی هوشمند است که مانند انسان عمل کند. به عبارت دیگر طرز تفکر مهم نیست اما نباید طرز تفکر منجر به هزینه بیشتری (چه طراحی چه سخت افزاری) شود. همچنین لازم نیست بهینه عمل کند اما باید کار را به نحو قابل قبولی انجام دهد. ماشین هوشمند می تواندخطا کند، اما باید درس بگیرد و درصدد رفع خطای خود در آینده باشد. رعایت ارزش ها ، کسب بیشترین پاداش ها و داشتن کمترین خطا ها (هزینه ها) ، معیار اصلی هوشمندی در رباتیک است.

استفاده از فناوری نانو در خودروهای اینده

اگر شما هم آدم خیال‌پردازی باشید، احتمالا تا کنون به این موضوع فکر کرده‌اید که آیا شرکت‌های خودروسازی با این همه رشد و پیشرفت فناوری، قادرند خودرویی بسازند که بدنه‌ی آن تغییر شکل دهد یا رنگ آن تغییر کند؟ اگر چنین خودرویی تولید شود و شما هم مالک آن باشید احتمالا از تغییر رنگ و شکل بدنه‌ی آن حسابی کِیف می‌کنید!

خوب است بدانید شرکت معروف خودروسازی BMW با استفاده از فناوری نانو، خودرویی با نام جینا (GINA) تولید کرده که این آرزوی به نظر دور از دسترس را تحقق بخشیده است. نانوخودروی جینا با استفاده از یک پارچه از جنس نانو که به عنوان بدنه بر روی بازوهای هیدرولیکی متحرک کشیده شده است، می‌تواند تغییر طرح بدنه را در مدت زمان کوتاهی انجام دهد.

جالب‌تر این که شما می‌توانید در این خودرو، رنگ و طرح موردنظر و دلخواه خود را درون حافظه‌های از قبل تعبیه شده، ذخیره کنید و هر زمان که دوست داشتید یک خودرو با رنگ و طرح موردنظر خود داشته باشید.

- فناوری نانو و صنعت خودرو

فناوری‌های میکرو و نانو قبلا تغییراتی در صنعت خودرو ایجاد کرده‌اند. امروزه، تنظیم موتور بسیاری از خودروها توسط میکروتراشه‌های الکترونیکی انجام می‌شود، ترمز خودروها توسط سیستم‌های الکترونیکی کنترل می‌شود، احتراق موتور توسط ابزارهای الکترونیکی بررسی می‌شود، و نیز بدنه‌ی بسیاری از خودروها توسط کامپوزیت‌های مقیاس میکرو و نانو ساخته می‌شود. این‌ها هم در جهت زیبایی و راحتی خودرو، و هم در جهت افزایش کارآرایی و عمر خودرو می‌باشد.

صنعت خودرو از طریق دست‌یابی به موتورهای پیشرفته، استفاده از انرژی‌های نو، کاهش وزن ماشین، بهبود عملکرد مواد، افزایش میزان راحتی و انعطاف‌پذیری، افزایش بهره‌وری و ... از فناوری نانو بهره می‌برد.

ده‌ها کاربرد فناوری نانو برای صنعت خودرو مورد مطالعه و بررسی قرار گرفته است؛ و تعدادی از این کاربردها امروزه در صنعت خودروسازی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این کاربردها موجب می‌شود تا خودروها سبک‌تر، پُرقدرت‌تر، سریع‌تر و ایمن‌تر شوند، و با محیط زیست سازگاری بیش‌تری داشته باشند. از سویی دیگر، فناوری نانو موجب کاهش هزینه‌های عملکردهای موجود نیز می‌شود.

یکی از اصلی‌ترین موضوعات فناوری نانو، ساخت مواد با خواص جدید است. این مواد ارزش افزوده‌ی بسیار بالا و کارایی بالاتری در تمام صنایع از جمله صنعت خودرو خواهند داشت.

ساخت بدنه‌هاي سبک‌تر و مقاوم‌تر براي خودرو، ساخت لاستيک‌هايي با مقاومت سايشي بهتر، ساخت قطعات موتور با عمر چند برابر، کاهش مصرف سوخت خودرو، ساخت باتري‌هايي با انرژي بالا و دوام بيشتر، ساخت نانوساختارهايي مبتني ‌بر کربن برای استفاده در خودروهاي پيل‌سوختي، ساخت حسگرهاي چندمنظوره براي کنترل فرايندهاي مختلف در خودرو، ساخت کاتاليزورهاي اگزوز خودرو براي کاهش آلودگي هوا، لايه‌هاي بسيار محکم با خصوصيات ويژه‌اي مثل الکتروکُروميک (رنگ‌پذيري الکتريکي) و خودپاک‌کنندگي براي استفاده در شيشه‌ها و آينه‌هاي خودرو، و سازگار کردن خودرو با محيط‌زيست و بسياري از موارد ديگر، از جمله کاربردهاي فناوری نانو در صنعت خودرو است. هم‌چنين، جايگزيني کربن سياه در تايرها با ذرات رس و پليمرهاي نانومتري، فناوری جديدي است که تايرهاي سازگار با محيط زيست و مقاوم در برابر ساييدگي را به ارمغان مي‌آورد.

يکي از اثرات مثبت فناوری نانو، افزايش بازده موتورهاي درون‌سوز کنوني است. اين موتورها، حدود 15 درصد از انرژي ذخيره شده در بنزين را به نيروي محرکه تبديل مي‌کنند. از سوي ديگر، جرم متوسط خودروهای امروزي حدود 1500 کيلوگرم است. با استفاده از فناوری نانو، پيش‌بيني مي‌شود که بتوان بازده را تا 5 برابر افزايش داد و نيز جرم وسايل نقليه را به ميزان 10 برابر کاهش داد.

بر اساس پژوهش‌های انجام شده، بازارهای کاربردی بخش‌های فناوری نانو در صنعت خودرو به صورت زیر است:

1. تولید و ذخیره‌ی انرژی: پیل‌های سوختی، پیل‌های خورشیدی، کاتالیزورهای بنزینی و گازوئیلی، ذخیره‌سازی انرژی در باتری.

2. مواد نانوساختار، نانوکامپوزیت و نانوذرات: نانوساختارهای سبک وزن، مواد مقاوم در برابر آتش و حرارت، افزایش استحکام و بهبود پایداری.

3. رنگ‌ها و پوشش‌های نانوساختار و هوشمند: خود تمیز شونده‌ها، مقاومت در برابر خراش، مواد قابل‌برنامه‌ریزی.

4. حسگرها و نمایش‌‌گرها: حسگرها و نمایش‌گرهای حرکت، فشار، شیب و شرایط جوی.

5. نانوالکترونیک: مدیریت هوشمند موتور، سیستم روشنایی، کنترل امنیت، باتری‌های با طول عمر بالا.

6. نانومواد و نانوپوشش‌ها: پوشش‌های نانوکامپوزیتی با اصطکاک پایین، مقاوم به سایش، مقاوم در برابر حرارت.

7. کاربردهای زیستی: تجهیزات بهداشتی، سیستم‌های امداد، طراحی سازگار با محیط زیست.

8. و ...

3- نتیجه و جمع‌بندی

به نظر می‌رسد ظهور فناوری نانو تاثیرات متعدد و شگرفی را بر صنعت خودرو، به عنوان یکی از بزرگ‌ترین و نوآورترین صنایع خواهد داشت. گستردگی فناوری نانو موجب شده تا صنایع گوناگونِ زیر مجموعه‌ی صنعت خودرو نیز از تحولات این فناوری متاثر شوند. تحولات فناوری نانو در صنعت خودرو آن قدر گسترده و گوناگون است که فهرست آن نیز بسیار طولانی است. در زیر نمونه‌هایی از کاربردهای فناوری نانو را در صنعت خودرو ملاحظه می‌کنید.

- نیروی محرکه: موتور هوشمند، اصطکاک پایین و مقاومت سایشی بالا، سیالات خنک کننده‌ی جدید و ...

- بدنه‌ی خودرو: وزن کم، استحکام زیاد، خود پاک کننده، ضد خوردگی و ضد خش، قابل برنامه‌ریزی و ...

- بخش‌های داخلی: ضد آتش و گرما، فیلتراسیون هوا، تمیز و ضدعفونی و ...

- سیستم دید در شب: حسگرهای فروسرخ بسیار حساس، شیشه‌های الکتروکرومیک، نمایش هوشمند و ...

- لامپ‌ها: منابع نوری جدید، سوئیچ‌های نوری، روکش‌های الکتروکرومیک و ...

- انرژی: پیل‌های خورشیدی کارا، نانو کاتالیست‌ها، ذخیره‌سازی انرژی، ذخیره‌ساری هیدروژن برای پیل سوختی و ...

- محیط زیست: مواد قابل بازیافت، حذف آلاینده‌های مضر و ...

- ایمنی: تست بیومتریک، حسگرهای بسیار ریز، هشدار زود هنگام خطر، جلوگیری هوشمند از تصادف، سیستم نجات و ...

- اطلاعات و تفریحات: هوش مصنوعی، مشاهده‌ی سه بعدی، سیستم‌های هدایتی پیشرفته، نمایش‌گرهای لایه نازک و ...