מה לא בסדר במנוע ‘סטרלינג’?

מה לא בסדר במנוע 'סטרלינג'?

כתב: רן לוי

המנוע שהמציא הכומר רוברט סטרלינג ב- 1816 יעיל יותר, שקט יותר ומזהם פחות מאשר מנוע בעירה פנימית. אז למה אין לך מנוע כזה במכונית? מה לא בסדר במנוע של סטרלינג?


תחילת המאה התשע עשרה, תור הזהב של מנועי הקיטור- אותן מפלצות מתכת אשר שימשו בתעשייה כמעט בכל תחום שהוא. מדע חוזק החומרים, עם זאת, היה בחיתוליו. המתכת אשר שימשה לבניית מנועי הקיטור לא הייתה חזקה דיה, והלחץ העצום שהפעיל עליה הקיטור הביא במקרים רבים להתפוצצות המנוע. התוצאות היו עגומות למדי לגבי דידם של מי שעבדו בקרבת המנוע, כפי שכל מי שנכווה מקיטור רותח יכול להעיד.

רוברט סטרלינג היה רק בן 26, כשהפך להיות כומר של קהילה קטנה בסקוטלנד באותה התקופה. בנוסף להיותו מהנדס נלהב וחובב מנועים, דאג סטרלינג לבריאותם של מאמיניו ולחייהם. דאגה זו היא שהביאה אותו לתכנן ולבנות מנוע מסוג שונה לחלוטין, מהפכני בעיקרון פעולתו. יש האומרים שהכומר רוברט, יותר משדאג למאמיניו, היה מעוניין שגם אותם עובדים שהפעילו את העוגב במרתף הכנסייה יקשיבו למיסה שנתן, ולכן תיכנן את המנוע השקט שיוכל להחליף אותם. מי יודע.

הכומר רוברט סטרלינג

עיקרון פעולת המנוע

המנועים שבהם אנו משתמשים בחיי היום-יום הם מסוג המוכר כ'מנועי בעירה פנימית': דלק, לרוב ביולוגי במקורו, בוער בתוך גוף המנוע ומספק את האנרגיה הדרושה לסיבוב גלגל-תנופה חיצוני. המנוע של סטרלינג, לעומת זאת, הוא 'מנוע בעירה חיצונית'. מייד נסקור את דרך פעולתו, אך כבר מתוך הגדרה זו, קל לראות יתרון משמעותי ראשון במנוע סטרלינג: מקור הכוח שלו לא חייב להיות דלק נוזלי או מוצק. האנרגיה יכולה לבוא מכל מקור חיצוני מתאים- אור שמש, רוח, מים זורמים וכדומה. לא להתבלבל- העקרונות עליהם מושתת מנוע סטרלינג הינם מוצקים ומוכחים, שלא כמו ה'מכונות הנצחיות' שעליהן אני כותב גם כן מדי פעם…

אז איך עובד מנוע שכזה? העיקרון הבסיסי פשוט להפליא. בתוך גוף המנוע ישנו אוויר כלוא, שחופשי לנוע בין שני חללים: האחד מחומם באופן תמידי, והשני מקורר. כאמור, מקור האנרגיה שיחמם ויקרר את המנוע יכול להיות חיצוני (למשל, אור שמש לחימום ומים זורמים לקרור).

האוויר הכלוא בחלל התחתון מתחמם, ומפעיל לחץ על בוכנת ההזזה (‘Displacer’). הלחץ גורם לה לנוע כלפי מעלה, ולדחוף את הבוכנה הימנית , היא בוכנת ה'כוח' (‘Power Piston’). הבוכנה הזו, היא זו שעושה את העבודה על גלגל התנופה.
כשבוכנת ההזזה מגיעה לשיאה, היא מתחילה לרדת. שימו לב כי האוויר חופשי לעבור בין החלל העליון והתחתון. האוויר בחלק העליון מתקרר, הלחץ קטן, והבוכנה יורדת בקלות יחסית כלפי מטה. כשהיא יורדת, האוויר המתחמם דוחף את בוכנת ההזזה כלפי מעלה, וחוזר חלילה.

מנוע סטרלינג בפעולה

המוט המחובר לבוכנת ההזזה לא מרגיש לחץ מיוחד, ויכול להיות חופשי למדי בחיבור לגל הארכובה (המוט השחור המאוזן). האוויר הכלוא בתוך המנוע לא משתחרר ולא מפיץ גזים רעילים לאטמוספירה. המנוע גם שקט באופן יוצא מין הכלל. יעילותו של המנוע קרובה, באופן יחסי, לגבול התיאורטי האפשרי שהוצב ע"י המדען הצרפתי סאדי קרנו. תכנון פשוט ואלגנטי, לא?

אז למה אנחנו לא נוסעים במכוניות 'מנועי סטרלינג'?

אל תחשבו שלא ניסו את זה. פורד וגנרל מוטורס שרפו (משחק מילים משעשע) מיליוני דולרים בניסיון לפתח מכונית שתנצל את יתרונות המנוע היחודי הנ"ל. פורד הייתה זו שהגיעה ל'הצלחה' הגדולה ביותר- המכונית שבנתה הצליחה לצאת מהחנייה 'רק' עשרים שניות לאחר הנעתה.

כן, כאן נעוצה בעייתו העיקרית של מנוע סטרלינג. אפשר להפסיק את פעולתו מהר מאוד, אבל לוקח המון זמן עד שהוא צובר מהירות. אף אחד לא רוצה מכונית שבה אתה לוחץ על הגז, ויוצא להפסקת קפה עד שהמנוע צובר מספיק מהירות כדי להתחיל לנסוע. נהג ישראלי ממוצע יתחיל לצפור עוד כשהרמזור צהוב. אני לא חושב שהוא יסתדר עם מנוע סטרלינג.

ישנה עוד בעיה עקרונית משמעותית למנוע סטרלינג: ככל שהפרש הטמפרטורות בין החלק החם והחלק הקר קטן יותר, המנוע צריך להיות גדול יותר כדי לספק עבודה משמעותית. הגדלים המקובלים כיום לא מאפשרים ניצול יעיל של המנוע, בלי להכנס להפרשי טמפרטורות מטורפים.

ובכל זאת, היתרונות היחסיים של המנוע מפתים מאוד. דון לנקסטר, גורו טכנולוגיה ידוע, מכנה את מנועי סטרלינג כ'ratholes' (קשה לתרגם, אבל באנגלית זה מצוין)- "חור שמהנדס לא ירצה להתקרב אליו". במילותיו שלו, 'כל כמה שנים מישהו מגלה מחדש את מנוע סטרלינג, בונה דגם שכמעט-כמעט עובד כמו שצריך, ואז כמעט-כמעט פושט את הרגל'.

ובכל זאת, למנוע המיוחד יש שימושים משלו, במקומות שבהן ניתן לנצל את תכונותיו המיוחדות. צוללות, למשל, משתמשות במנועי סטרלינג עקב הרעש הנמוך שהם פולטים. המים הקרים שעוטפים את הצוללת מספקים את הקירור הנדרש, ומפקדי צוללות לא מתחרים ביניהם ב'פתיחות'- כך שההאצה האיטית לא חשובה להם. נאס"א משתמשת במנוע סטרלינג לעיתים, תוך ניצול הפרש הטמפרטורות בין חלק החללית הפונה לשמש והחלק שפונה ממנה והלאה.

שימוש מפתיע נוסף נמצא בתחום ה'קריוגניקה'- מדע הדברים הקרים. תחשבו על זה כך: אם מכניסים חום וקור משני צדדים, ניתן להפיק מהמנוע עבודה מכאנית. אבל, אם נכניס לתוך המנוע עבודה מכאנית, בעזרת תיכנון מתאים, חלק אחד יתחמם, וחלק שני יתקרר! בשיטה הזו ניתן להגיע לטמפרטורות של קרוב לעשר מעלות קלווין.

ואפרופו קלווין: הלורד קלווין היה תומך נלהב של מנועי סטרלינג. בהרצאותיו לפני סטודנטים היה משתמש במנוע סטרלינג מיניאטורי כדי להדגים עקרונות תרמודינמיים שונים. אחת מההדגמות הידועות יותר, גם היום, היא מנוע סטרלינג זעיר שמוצב מעל כוס קפה מהביל- ומשתמש בהבדלי הטמפרטורות בין הקפה לסביבה לצורך סיבוב מאוורר. ולא, לאיכות הקפה אין קשר למהירות סיבובי המנוע.

נסכם ונאמר שלמנוע שהמציא הכומר סטרלינג (דרך אגב, סטרלינג היה כומר באותה הקהילה עד מותו בגיל 85. זו קביעות בעבודה!) יתרונות מצוינים מבחינות רבות. הבעיה היא איתנו, הלקוחות שמתעקשים לקבל דווקא את התכונות שמנוע סטרלינג לא יכול לספק. אולי, בעוד חמישים שנה, כשהנפט יאזל- נתעקש קצת פחות, ואז יוכל סטרלינג לחייך ולהגיד- 'אמרתי לכם'. אבל הוא כנראה יאמר זאת בסקוטית, אז אף אחד לא יבין.

כתיבת תגובה

האימייל לא יוצג באתר.