الطاقة المستقبلية للبخار
كيف تتخلص القطارات البخارية الحديثة من الفحم لاستخدام محركات أنظف وأكفأ
بقلم: سكوت داتفيلد
في بريطانيا بين مدينتي ليفربول وكارلايل.
قبل نحو 200 سنة، كانت القطارات البخارية في جميع أنحاء العالم تنطلق وسط السحب المتصاعدة حول أنظمة السكك الحديدية. ولدفعها بطول سكتها، استخدمت القاطرات البخارية الطاقة المنطلقة من احتراق الوقود، مثل الفحم، لتسخين غلاية مياه. مع تسخّن المياه وتوليد البخار، يزداد الضغط داخل الغلاية. تتصل بالغلاية آلية من المكابس Piston التي تعمل بالبخار عالي الضغط، مما يجعلها تتحرك ذهاباً وإياباً وتدفع في النهاية عجلة القطار المتصلة بها. وبعد ذلك، يخرج البخار من القطار عبر مدخنة تتصاعد منها سحب العادم ذات اللونين الأبيض والرمادي.
كانت القطارات البخارية التقليدية تستخدم محرك احتراق خارجي External combustion engine, مما جعلها عرضة لخطر أن يتسبب الجمر في إشعال وقود آخر في القطار أو إتلاف السكة الحديدية أسفله. لتقليل هذا الخطر، ظهرت أول قاطرات عديمة الاحتراق في العالم في عام 1882. مثل المحركات البخارية الأخرى، كانت المياه الفائقة التسخين هي قوتها الدافعة، لكن المياه كانت تحمّل في القاطرات بعد تسخينها وضغطها. يعني هذا أن القاطرات يمكنها التحرك فقط طالما ظلت المياه ساخنة، أو حتى نفاد المياه.
في أوج انتشارها، عدّلت القاطرات البخارية لحمل أطنان من البضائع ونقل الركاب إلى أعلى سفوح الجبال. ولكن بحلول ثلاثينات القرن العشرين، تراجعت القطارات البخارية التي تعمل بالفحم، فانتشرت القطارات التي تعمل بالديزل والقطارات الكهربائية باعتبارها الطريقة الحديثة للسفر. لكن القطارات البخارية لم تختف تماماً، فقد ظلت مستخدمة حول العالم لأغراض ترفيهية وعملية. على الرغم من أن آليات القاطرات البخارية لا تزال حاليا مماثلة لتلك التي استُخدمت في أوائل القرن العشرين، فقد اجريت بعض التحسينات على طريقة استهلاكها للوقود. فمثلاً، اعتمدت بعض القطارات نظام احتراق منتج للغاز Gas Producer Combustion System (GPCS) لتعزيز كفاءتها في استهلاك الوقود. يقلل هذا النظام من كمية تدفق الهواء إلى صندوق الاحتراق ويعيد توجيه بعض البخار من المحرك لزيادة كفاءة احتراق الفحم.
”تعتمد العديد من القاطرات الحديثة أنواعاً مختلفة من الوقود“
بدلاً من أكوام الفحم المستخدمة في القطارات البخارية التقليدية، تعتمد العديد من القطارات الحديثة أنواعاً مختلفة من الوقود، مثل النفط أو الوقود الحيوي. صنعت شركة تصنيع القطارات والآلات البخارية Dampflokomotiv- und Maschinenfabrik (DLM) الألمانية قاطرات تعمل بالبخار والتي استبدلت الفحم ”بنظام خفيف لإشعال النفط“ لتقليل انبعاثات غازات الدفيئة وتزويد السائق بتحكم أفضل في القطار. أكملت شركة DLM مؤخراً تحويل قاطرة بخارية تقليدية من طراز 99787 من الفحم إلى نظام حرق النفط الخفيف هذا.
يجد الباحثون أيضاً طرقاً جديدة ومثيرة للاهتمام للحفاظ على شغف الناس بالقاطرة البخارية، دون التكلفة البيئية لحرق الفحم. في معهد أبحاث الموارد الطبيعية Natural Resource Research Institute (NRRI) التابع لجامعة مينيسوتا، حوّل العلماء مادة نباتية إلى فحم حيوي محايد كربونيا، يُعرف بالكتلة الحيوية المحمّصة بالحرارة Torrefied biomass. تتطلب عملية التحميص بالحرارة تسخين المادة النباتية، مثل الخشب، إلى نحو 300 درجة سيليزية في غياب الأكسجين. وتطلق كتل الفحم الحيوي الناتجة كمية أقل بكثير من ثاني أكسيد الكربون مقارنة بالفحم التقليدي، لكنها لا تزال تحترق بكفاءة حرارية تبلغ .%96
قاطرة هيلمان البخارية الكهربائية
يدفعه طموح للدمج بين الدفع البخاري والطاقة الكهربائية، سجل رائد القطارات الفرنسي جان جاك هيلمان Jean-Jacques Heilmann براءة اختراع أول قاطرة تستخدم محركاً بخارياً لتوليد الكهرباء في عام 1890. كانت قاطرة هيلمان الأصلية، وهي قطار بلغ طوله 16.3م، تعمل بمحرك بخاري ذو أسطوانتين يدير مولداً بقدرة 400 كيلووات للدفع الكهربائي. عرضت قاطرة مكتملة في عام 1893 خلال تجربة عملية في باريس. وفي العام التالي، وفي اختبار تجريبي حمل 250 ضيفاً على شبكة السكك الحديدية في كومبيني Compiègne، بلغت السرعة القصوى للقطار نحو 67 ميلاً/ساعة. ولكن بسبب تعقيد وتكلفة بناء القطارات التي تستخدم البخار والكهرباء، لم تطوّر قاطرات هيلمان أو تُصنع.
تطور القطارات البخارية
1804
سارت أول قاطرة بخارية على الإطلاق، والتي صنعها المخترع البريطاني ريتشارد تريفيثيك Richard Trevithick، على سكة حديدية في ويلز.
1814
طوّر المهندس جورج ستيفنسون George Stephenson ”المحرك المسافر“ Travelling engine – وهي أول قاطرة بخارية عملية لنقل الفحم.
1825
طوّر المخترع الأمريكي جون ستيفنز John Stevens أول قاطرة بخارية بمحرك مؤلف من مرجل متعدد الأنابيب.
1829
استعرض روبرت ستيفنسون قاطرته البخارية التي أطلق عليها اسم ”الصاروخ“ Rocket، والتي بلغت سرعتها ما يزيد على 30 ميلاً/ساعة.
1829
عُرفت أول قاطرة ركاب أمريكية بـ”توم ثامب“ Tom Thumb، وصنعها بيتر كوبر Peter Cooper.
1831
كان قطار الركاب البخاري جون بول John Bull أول قاطرة مزودة بمصابيح أمامية ومصدّ أمامي لتفادي العوائق الموجودة على السكة الحديدية.
1923
كانت فلاينغ سكوتسمان Flying Scotsman أول قاطرة بخارية تبلغ سرعة 100ميل/ساعة.
