قلب خون را جابجا میکند، ریهها هوا را به داخل و خارج هدایت میکنند، ماهیچهها مایعات و گازها را به حرکت درآورده اند، طبیعت پر از تکنولوژیهای زیستی است که در طول میلیون و میلیاردها سال تکامل یافته است، آیا آنها بهینه نیستند؟
در طبیعت تقریبا هیچ چیزی شبیه کمپرسور اسکرو نیست. مهندسان چطور به این ماشین رسیدهاند و این ایدهی غیرطبیعی را از کجا آوردهاند و چرا؟ دو روتور دقیق و تراشیده که با فاصلهای اندک در همتنیدهاند. طبیعت اما غشاء، حفرهها، دریچهها، ماهیچهها و البته کمپرسور پیستونی را انتخاب کرده است.
قلب و ریهها هر دو از فلسفهی مشابهی پیروی میکنند. هیچ کجا روتوری که دائما بچرخد نخواهید دید. محفظهای تغییر شکل میدهد، منقبض شده، فشار ایجاد کرده و دوباره پر و خالی میشود. در ریهها هم هیچ قطعهای با دقت ساخت روتور اسکرو نمیچرخد تا هوا را جابجا کند. ماهیچهها حجم حفره را تغییر میدهند و اختلاف فشار هوا را جابجا میکند. ریهی انسان ۹۰ سال کار میکند، بسیاری از کمپرسورهای اسکرو هم ۱۰ها سال عمر میکنند، پس فرق در چیست و مزایا و معایب هرکدام کجاست؟
طبیعت الزاما به دنبال بیشترین راندمان حجمی در فشار و دبی مشخص نیست
طبیعت تکامل یافته تا محصولاتی را خلق کند که
۱- امکان ترمیم خود را داشته باشد.
۲- در برابر تغییر شکل دوام بیاورد.
۳- با رشد موجود خود را سازگار کند.
۴- نیاز به دقت بالا و خطای پایین در ساخته نداشته باشد. عجیب است که طبیعتی که میلیاردها سال فرجه داشته نخواسته ماشینآلات دقیق طراحی کند.
۵- آسیب آن را متوقف نکرده و تا حدی عملکرد خود را حفظ کند.
دو روتور اسکرو که داخل سیلندر ایرند کمپرسور میچرخند دقیقا خلاف این فلسفه را دنبال میکنند. این قطعات با هندسهای بسیار دقیق ساخته میشود، فاصلههای میان آنها شدیدا حساس و کنترلشده است، کیفیت سطوح صیقلی و بالاست و کوچکترین تغییر در هندسه به نشتی داخلی، افزایش دیوانهوار حرارت، کاهش بازدهی کل سیستم و تخریب جدی آن منجر میشود؛ کمپرسور اسکرو با کوچکترین ناترازی محور نابود میشود.
احتمالا کمپرسور اسکرو غیرطبیعی است. کمپرسور اسکرو به دنبال خواستهای رفته است و مزایایی را خلق کرده است که طبیعت معمولا از آن دوری میکند: دقت مکانیکی بسیار بالا. در حقیقت کمپرسور اسکرو مدل بدون روغن نهایت دقت مهندسی مکانیک است، حتی فراتر از موشکهای بالستیک.
انسان کاری را انجام داده است که طبیعت هیچ نیازی به انجام آن حس نکرده بود. هندسهای بسیار پیچیده با دقتی بسیار بالا ساخته شده و میلیونها ساعت میچرخد.
کمپرسور اسکرو بدون شک غیرطبیعیترین کمپرسور یا حتی ماشین ساخت انسان است. کمپرسورهای دینامیکی، یعنی کمپرسور گریز از مرکز یا سانتریفیوژ و کمپرسور محوری نیز از آن طبیعیتر هستند.
طبیعت به طور مکرر ماشینهایی را خلق کرده است که سیال را شتاب میدهد تا بعد سرعت آن را به فشار تبدیل کند. و این اصل بنیادین ساخت کمپرسور دینامیکی است.
افزایش سرعت هوا ← تغییر مسیر و کاهش سرعت ← تبدیل سرعت به فشار
این عملیات را در حرکت بال پرنده یا جریان آب هم مشاهده میکنیم. کمپرسورهای رفت و برگشتی و غشایی طبیعیترین نوع کمپرسور است. کمپرسورهای دینامیکی و سانتریفیوژ تا درجهای از طبیعت پیروی میکند. و کمپرسور اسکرو کاملا میوهی مهندسی و غیرطبیعی است.
مهندسان مواد سخت و مقاوم میسازند، ماشینکاری دقیق انجام میدهند، سطح را با روکشهای مخصوص پوشش میدهند، یاتاقانهای دقیق ساخته و کنترلرهای هوشمند به این مجموعه اضافه کردهاند. در نهایت هوا را میان دو مارپیچ فلزی فشار دادیم ببینیم چه میشود. از نگاه تکاملی این ایده عجیب است، از نگاه مهندسی؟ فوقالعاده!
طبیعت و مهندسی لزوما به دنبال بهینهسازی و پاسخ به مسئلهای یکسان نیستند. طبیعت میخواهد با منابعی محدود سیستمی زنده و قابل اعتماد بسازد. در حقیقت طبیعت بینهایت پیچیدهای که میبینید در هر گام تکامل به دنبال مینیمالترین طراحی ممکن برای بقا بوده است. اما مهندسان رویکردی متفاوت دارند، آنها تکامل نمیشناسند. مهندسان ابتدا هدفی مشخص را تعیین کرده و سپس برای نیل به آن تلاش میکنند:
چطور میتوان حجم مشخصی هوا در دقیقه را با فشار مشخص، دمای مشخص، بازدهی بالا و عملکرد مطمئن تولید کرد؟
کمپرسور اسکرو محصول تکامل نیست. انسان بود که هندسهای را ساخت که طبیعت هیچگاه مجبور به ساخت آن نشده بود. گاهی بهترین مهندسی شبیه طبیعت و گاهی بهترین مهندسی دقیقا برخلاف انتظارات طبیعی است.
جهانی که ویسکوزیته در آن فرمانرواست
فیزیک در مقیاس میکروسکوپیک که زیست شناسی با آن سر و کار دارد کاملا متفاوت از مقیاس مایکروسکوپیک و مهندسی است. برای موجودات ریز حرکت درون سیال مانند شنا کردن در عسل است. در اعداد رینولدز پایین نیروهای ویسکوز بر نیروهای اینرسی چیره میشود و حرکتهای رفت و برگشتی ساده همچون کمپرسور پیستونی هیچ کارآمدی ندارد.
راهحلهای دوار یا روتاری در اینجا حضور دارد. موتور تاژکی باکتریایی ماشینی روتاری است. باکتریها از پروانهای مارپیچی و چرخان برای تولید نیروی محرکهی خود استفاده میکنند. این موتور دوار در غشای سلول جای گرفته و با جریان یونها به حرکت درمیآید.
مسئلهی تامین مواد مغذی
سیستمهای زیستی با مشکلاتی سرپنجه نرم میکنند که ماشینهای ساخت انسان آن را نمیشناسد. بیولوژی به نفع ساختارهایی تکامل یافته است که اجازهی نفوذ کارآمد مواد مغذی به سلولها را داده باشد. ساختاری جامد و چرخان درون جاندار راه دسترسی مواد مغذی به بافتهای اطراف را مسدود میکند. این محدودیت گردنکلفت غیبت کمپرسور اسکرو و هرچه شکل آن باشد را، حتی در محیطهای آبی، توضیح میدهد. هرجا سیستمهای دوار و چرخان ظاهر شده است شما با زائدهای خارجی مانند تاژک و موتور تاژکی روبرو بودهاید؛ این زائدهها بیشتر شبیه پروانهای هستند که در پس هلیکوپتری میچرخد و آن را به جلو هل میدهد، نه سازوکاری درونی همچون روتورهای چرخان که در قلب محفظهی تراکم کمپرسور جا گرفته اند.
کمپرسور پیستونی، عزیزکردهی طبیعت
طبیعت نیاز به پمپاژ را حرکت رفت و برگشتی حل و فصل کرده است. قلب، ریهها و پمپهای ماهیچهای همگی با اصل انبساط و انقباض کار میکنند که با مواد زیستی سازگار بوده و از حرکت چرخان و نیاز به یاتاقان و آببندی بینیاز است. البته که ما دست از سر طبیعت برنداشتهایم.
طبیعت هرگز به کمپرسور اسکرو نیازی نداشت. اما ما نه تنها کمپرسور اسکرو را میسازیم، در حال ساخت نمونههای مولکولی آن هم هستیم. موتورهای مولکولی مصنوعی که با حرکت دوار در برخی از جنبهها از مولکولهای طبیعی عملکرد بهتری داشتهاند در آزمایشگاهها ساخته شده و این موتورهای مبتنی بر DNA با سرعتهایی در حدود ۲۵۰ دور بر دقیقه هم میچرند. پس طبیعت به کمپرسور اسکرو نرسید، اما کمپرسور اسکرو به طبیعت رسید.
