Motory s novou jiskrou

Japonsko-rumunský tým slibuje laserovou revoluci pro spalovací motory

Francouzi sice možná jsou podle některých lidí arogantní, na druhou stranu ale nedali světu jen žabí stehýnka, víno, bagetu a tři mušketýry. Řidiči by navíc bez nich asi těžko startovali své automobily. Před zhruba sto padesáti lety totiž přišel s objevem svíčky do spalovacích motorů pařížský rodák François Isaac de Rivaz. Už není důležité, že si tento politik a vynálezce v té době užíval důchodu ve Švýcarsku, zajímavější je, že jím vymyšlený princip se od té doby prakticky nezměnil.
Jistě není třeba předělávat něco, co tak dlouho funguje. To by ale Japonci nesměli mít takový talent na hi-tech vychytávky, které i tradicí prověřený systém změní k nepoznání. Tým japonských a rumunských vědců z National Institutes of Natural Sciences (NINS) představil v první květnové pondělí revoluci jako vystřiženou ze sci-fi románu. Motorům podle nich dodá jiskru laser.

Od slov k činům

Myšlenka to není zase až tak úplně nová. O využití laserů k řízeným explozím i v něčem tak běžném, jako je osobní automobil, se začalo uvažovat už v sedmdesátých letech minulého století. Trvalo ale celých čtyřicet let, než se mohlo od slov přejít k činům. Aby se totiž spalovací směs vznítila, je třeba laserů, jejichž paprsky o síle zhruba 100 gigawattů budou mířit na čtvereční centimetr mnoha krátkými desetimilijouleovými pulzy.
„Lasery, které těmto požadavkům odpovídaly, v minulosti prošly pouze základní výzkumem, protože byly veliké, neefektivní a nestabilní. Navíc by nemohly být umístěny u motoru, protože jejich silné paprsky by zničily optické kabely, které je směřují k válcům,“ vysvětluje v tiskové zprávě ke studii její hlavní autor Takunori Taira.
Hlavní problém se ale vědcům podařilo elegantně obejít trochu odlišnou laserovou technologií. Svůj mechanismus vytvořili zahřátím keramického prachu tak, až z něj vznikly dvě spojené yttrium-aluminium-galliové (YAG) opticky transparentní části, přičemž jedna z nich je dopovaná ionty neodymu a druhá chromu. Takový stroječek je podstatně méně choulostivý než klasické silné lasery, je odolnější a lépe se vyrovná s horkým prostředím motoru.
Výsledný laser o devíti milimetrech v průměru a jedenácti na délku má tvar podobný klasické svíčce. Aby toho nebylo málo, vysílá do zážehové komory hned dva proudy světla, a vědci dokonce uvažují o přidání třetího. Jelikož by jediný laserový výstřel nezvládl spalovací směs odpálit, probíhá proces s pomocí několika pulzů trvajících 800 pikosekund (nebo též 800 biliontin vteřiny).
Nejenže snažení týmu podporuje Japonská agentura pro vědu a techniku, výzkumníkům se navíc podařilo zaujmout i jednoho z největších dodavatelů součástek pro automobilový průmysl, společnost Denso, která zaměstnává přes 120 tisíc lidí a patří do skupiny Toyota.

Zelenější alternativa

Výhodou motoru s laserovými zážehy není jen příležitost pro jeho majitele dělat ramena a vychloubat se technologií budoucnosti. Navíc bude nabízet výkon, ohleduplnost k prostředí a rychlost. „Načasování zážehu je velmi důležité. Čím je preciznější, tím je spalování efektivnější a spotřeba paliva ekonomičtější,“ uvádí Taira jednu z hlavních výhod využití laserů.
Oproti klasickým svíčkám totiž stíhají odpalovat spalovací hmotu v řádech nanosekund, zatímco tradičnější varianta k tomu potřebuje milisekundy. Podobné pozitivum, kterým je přibližně třikrát rychlejší proces spalování, se pak skrývá v tajemství samotných paprsků. Klasická svíčka, umístěná ve vrcholu válce, vysílá elektrickou jiskru mezi dvě kovové elektrody, čímž dochází k řízené explozi směsi, jež rozpohybovává písty. Háček je v tom, že velká část tepla způsobená výbuchem je absorbována kovovými stěnami válce, ještě než se k pístu dostanou. Lasery ale místo jedné jiskry vysílají pulzy hned dvěma (a brzy možná třemi) směry do prostředí válce – díky tomu se exploze rozprostírá symetričtěji a méně plýtvá energií.
Vedle menšího namáhání motoru a peněženky majitele vozu se uleví i životnímu prostředí, kterému při klasickém spalování škodí především oxidy dusíku unikající při zážehu spalovací hmoty. V tomto ohledu by pomohlo, kdyby se spalovalo více vzduchu a méně paliva, což ale tradiční svíčky nezvládnou. Určitou alternativou jsou pulzní svíčky, které výkon motoru zvyšují s pomocí uchovávání energie vznikající při vznícení a následně ji vypouštějí ve formě plazmových výbojů. Laser by měl opět být o „level výše“ – aby se mu mohly normální svíčky vyrovnat, potřebovaly by vyšší množství energie pro jiskru, což by ale vedlo k rychlejšímu zničení elektrod. To laserům nehrozí, protože elektrody ke své práci nepotřebují. Díky laseru proto mohou být „zelenější“ i dosud „špinavé motory“.
„Elektrická revoluce okolo nás probíhá pomalu, protože zákazníky příliš neláká a většina lidí stále jezdí auty se spalovacím motorem. Pokud se rozhodnou ,zezelenat‘ (a to především kvůli cenám benzinu a nafty), místo elektromotoru sáhnou po hybridním voze… I ten ale spoléhá na spalování. Laserové svíčky by proto mohly být významnou pomocí pro ekologičtější vozy a v podstatě posledním nádechem spalovacích motorů, než elektrická revoluce nabere na síle,“ neskrývá naději server o technologii a inovacích FastCompany.

Nostalgická skepse

Zůstává otázkou, na kolik by laserová výpomoc pro motory přišla. S ohledem na teoretickou složitost technologie by mohlo jít o dražší legraci, než jakou jsou elektromobily. Bude se automobilkám stále bojujícím s dozvuky ekonomické krize chtít investovat do takových řešení? Převáží v uvažování řidičů náklady na laserové startování žíznivější klasické motory? Hlavní autor Takunori Taira a s ním i NINS se dušují, že to nebude problém. Prohlašují, že laserový systém z keramického prachu se dá vyrábět poměrně levně a v obrovském množství. Cenu blíže neupřesňují, ale vyjednávání s gigantem Denso by jim mohlo dát za pravdu.
„Přemýšlím, jak to zdraží výrobu automobilů a jestli půjde technologii dodat do už existujících motorů. Bude také určitě zajímavé vysledovat, jak spolehlivé budou lasery v extrémně chladném počasí, jemuž klasické svíčky těžko odolávají. V případě spalovacích motorů ale určitě existuje prostor pro inovace, jelikož ze světa hned tak nezmizí. Když mohla z módy vyjít Edisonova žárovka, může stejný osud potkat zážehovou svíčku. Koneckonců je to jen technologie, ne náboženská relikvie,“ uvažuje na blogu Smartplanet David Worthington, novinář věnující se energetice.
Narazil tím na jeden ze zásadních problémů, s nimiž se nová technologie potýká – nedůvěru, především novinářů píšících o automobilech. Minimálně o skepsi způsobené nostalgií se určitě mluvit dá. Připomíná to lamentování amerických automobilistů během invaze vozů z Asie a Evropy, která téměř vymýtila klasické americké trucky. Řada výrobců to dohání alespoň vnějším designem. Že šlo o nesmyslně veliké koráby s nehoráznou spotřebou, je vedlejší. Na symboly se nesahá, takže blogerská debata o laserových svíčkách občas sklouzává do emocionálních rovin.
„Žádný z těchto systémů ještě nebyl zabudován do skutečného motoru, úvahy o lepším řešení jsou pouze akademickou debatou. Není pravděpodobné, že laser bude v nejbližší době odpalovat pohonné hmoty ve vašem motoru, ať si ti automobiloví nenávistivci, kteří přehlížejí inženýrská fakta, říkají cokoli,“ uzavírá svůj příspěvek na serveru Autoblog.com jeden ze skeptiků Dan Roth.