تقييم تجريبي لتوربين تسلا منخفض التكلفة لاستعادة طاقة الهواء المهدورة في أنظمة النقل

تحويل الهواء المهدور إلى طاقة مفيدة

في كل مرة يضغط فيها شاحنة ثقيلة أو قطار على الفرامل، يتم تضييع طاقة مخزنة في الهواء المضغوط. تطرح هذه الدراسة سؤالاً بسيطاً يحمل جاذبية عملية كبيرة: هل يمكننا التقاط جزء من ضغط الهواء المفقود وتحويله إلى كهرباء باستخدام جهاز صغير ومنخفض التكلفة يُسمى توربين تسلا؟ إذا أمكن ذلك، فقد تحصل أساطيل المركبات والسكك الحديدية على تدفق إضافي من الطاقة النظيفة دون حرق وقود أكثر أو إضافة معدات معقّدة جديدة.

لماذا يبقى الهواء المضغوط غير مستغل

تعتمد أنظمة فرامل الهواء في المركبات الكبيرة على ضاغط ميكانيكي يحافظ على خزان تخزين مملوء بالهواء المضغوط. عندما يصل الخزان إلى الضغط المستهدف، تُفتح الصمامات لإطلاق الفائض وحماية النظام، بينما غالباً ما يستمر الضاغط في الدوران دون حمل مفيد. هذا يعني أن الهواء الاحتياطي والحركة الدوّارة عادة ما تُهدَر. يقترح المؤلفون إضافة مسار ثانوي يوجّه هذا الهواء الذي كان سيُطهَر عبر توربين صغير متصل بمولّد، بحيث يُحوّل جزء من الضغط المفقود إلى طاقة كهربائية لاستخدامات مثل الإضاءة أو شحن البطارية أو الإلكترونيات على متن المركبة.

توربين بسيط قائم على الأقراص

قلب التجهيز هو توربين تسلا مدمج، وهو نوع من التوربينات يستبدل الشفرات بكومة من الأقراص الملساء. يدخل الهواء المضغوط بشكل مماسي عند الحافة، ثم يلتف إلى الداخل بين الأقراص. أثناء انزلاقه على سطح الأقراص، تسحب الاحتكاكات الأقراص بلطف فتدور الكتلة بأكملها. في هذا المشروع، بنى الفريق توربينًا مكوَّنًا من عشرة أقراص باستخدام تشغيل تحكمي بالحاسوب، محافظين على تصميم عام بسيط عمداً حتى يمكن تصنيع الأجزاء وصيانتها بسهولة في ورش عمل قياسية. اختبروا نسختين متماثلتين خلافًا للمادة: واحدة بأقراص من الألمنيوم وأخرى بأقراص من الفولاذ، ليروا كيف يؤثر مادة الأقراص على الأداء في نطاق الضغط المنخفض النموذجي لأنظمة فرامل المركبات.

كيف أُجريت الاختبارات

ربط الباحثون التوربين بضاغط ميكانيكي قياسي، وصمامات تحكم، وأجهزة قياس سجلت ضغط الهواء، وسرعة الدوران، والجهد، والتيار، والطاقة الكهربائية. أجروا تجارب عند ضغوط دخول تتراوح من 2 إلى 10 بار، أولاً مع دوران التوربين دون حمل ثم مع توصيل مولّد كهربائي كحمل. قِيس كل نقطة تشغيل عدة مرات للتحقق من قابلية التكرار، وقارن الفريق نتائجهم مع تجارب سابقة من الأدبيات للتأكد من أن اتجاهات السرعة والطاقة تتبع سلوكًا معروفًا لتوربينات مماثلة.

ما الذي قدّمه التوربين

مع ازدياد الضغط، زادت سرعة الدوران والإنتاج الكهربائي في نسختي التوربين، متطابقة مع الصورة المتوقعة لتدفق هواء أسرع ينقل زخماً أكبر إلى الأقراص. في حالة التشغيل دون حمل، وصلت نسخة الأقراص الفولاذية إلى أكثر من 7000 دورة في الدقيقة عند أعلى ضغط، في حين عملت نسخة الألمنيوم بوتيرة أبطأ بشكل ملحوظ. عند تشغيل المولد، انخفضت السرعات، لكنها استمرت في الارتفاع بثبات مع زيادة الضغط. أظهرت الأقراص الفولاذية تفوقًا واضحًا على الألمنيوم في اختبارات الحمل: عند 10 بار، أنتجت الفولاذ ما يقرب من ضعف الطاقة الكهربائية التي أنتجها الألمنيوم، نحو 22 واط مقابل 11 واط خلال تجربة مدتها 10 ثوانٍ. عند أدنى الضغوط، فشلت توربينات الألمنيوم أحيانًا في توليد كهرباء قابلة للقياس، بينما استمر التوربين الفولاذي في العمل بموثوقية.

ما معنى هذا للمركبات الحقيقية

رغم أن النموذج الأولي يولّد طاقة متواضعة بحد ذاته، إلا أنه يثبت أن توربين تسلا صغير ومنخفض التكلفة يمكنه حصاد طاقة من هواً تلقيه الشاحنات والقطارات حاليًا في سلة المهملات. من خلال اختيار أقراص فولاذية متينة ودمج عدة توربينات من هذا النوع أو تكبير حجمها، يمكن للمشغلين استعادة المزيد من هذا المورد المفقود للاستخدامات المساعدة دون إعادة تصميم نظام الفرامل الأساسي. للخلاصة العامة، الفكرة الأساسية هي أن حتى صوت هسهسة الهواء من قطار متوقف يحمل طاقة مفيدة، والتوربينات القرصية البسيطة تقدم وسيلة عملية لالتقاط جزء منها وإعادته إلى نظام النقل.

الاستشهاد: Farghaly, M.B., Almohammadi, B.A., Alsharif, A.M. et al. Experimental evaluation of a cost-effective tesla turbine for waste air energy recovery in transportation systems. Sci Rep 16, 15177 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-48846-z

الكلمات المفتاحية: توربين تسلا, استعادة الطاقة المهدورة, الهواء المضغوط, أنظمة فرامل الهواء, طاقة النقل