Toshifumi Sugama به دلیل مشارکت در صنعت زمین گرمایی مورد تقدیر قرار گرفته است

Newswise – UPTON، نیویورک –توشیفومی سوگاما– شیمیدان در گروه علوم میان رشته ای در آزمایشگاه ملی بروکهاون وزارت انرژی ایالات متحده (DOE) که طراحی، توسعه و ارزیابی مواد برای چاه های زمین گرمایی را انجام می دهد – جایزه پژوهشی برجسته را از افزایش زمین گرمایی، یک سازمان غیرانتفاعی که از پیشرفت انرژی زمین گرمایی در سراسر جهان حمایت می کند. دریافت کنندگان جایزه پژوهشی برجسته به دلیل برتری در تحقیقات و تأثیر بالقوه آنها بر صنعت زمین گرمایی شناخته می شوند.

جایزه Sugama در 3 اکتبر در کنفرانس خیزش زمین گرمایی 2023 در رنو، نوادا اعلام شد. او به دلیل نزدیک به پنج دهه فعالیت خود در زمینه انرژی زمین گرمایی، که به دنبال تولید برق از گرمای محبوس شده در اعماق زمین است، مورد تقدیر قرار گرفت.

سوگاما که در سال 1978 به آزمایشگاه بروکهاون پیوست، گفت: «از اینکه فهمیدم به عنوان دریافت‌کننده این جایزه انتخاب شده‌ام بسیار خوشحال شدم و می‌خواهم صمیمانه تشکر کنم از جامعه زمین گرمایی که کار من را به رسمیت می‌شناسند.

دما در مرکز زمین می تواند از 9000 درجه فارنهایت تجاوز کند – که عمدتاً به دلیل گرمای باقی مانده از شکل گیری زمین و مقادیر عظیم انرژی آزاد شده از تجزیه رادیواکتیو سنگ مذاب در هسته زمین است. اگرچه این گرما در فاصله 2000 مایلی زیر سطح زمین ایجاد می شود، اما از مرکز سیاره تابش می کند و لایه های سنگی واقع بین هسته سیاره و سطح آن را گرم می کند. در برخی از نقاط جهان، گرما می تواند به صورت گدازه به سطح برود یا به صورت آب گرم از طریق آبفشان ها و چشمه های آب گرم آزاد شود. با این حال، کار سوگاما بر استخراج گرمای به دام افتاده در سنگ‌ها در اعماق زیر سطح تمرکز دارد.

سوگاما موادی را توسعه می دهد که به مهندسان زمین گرمایی اجازه می دهد با استفاده از چاه های زمین گرمایی، ساختارهای استوانه ای که معمولاً از لایه های متحدالمرکز پوشش فولاد کربنی و سیمان تشکیل شده اند، به گرمای زیرزمینی زمین دسترسی پیدا کنند. این ساختارهای لوله مانند برای پمپاژ آب – گرم شده توسط سنگ های اطراف تا بیش از 400 درجه فارنهایت – به سطح طراحی شده اند تا بخار آن بتواند توربین تولید برق را بچرخاند. هنگامی که گرما استخراج می شود، آب دوباره به زمین پمپاژ می شود تا دوباره مورد استفاده قرار گیرد و آن را به یک منبع انرژی پایدار تبدیل می کند.

با این حال، یک چالش بزرگ با انرژی زمین گرمایی این است که کل زیرساخت باید در برابر شرایط سخت ایجاد شده توسط محیط گرم، مرطوب و خورنده شیمیایی مقاومت کند. در اینجا به دهه ها مشارکت Sugama در صنعت می پردازیم.

سیمان، پوشش و درزگیر

اخیراً او و تاتیانا پیاتینادانشمند مواد در آزمایشگاه Brookhaven، سیمان سبک وزن و آب گریز (منتشر شده در مواد در سال 2021). آب گریزی رسانایی حرارتی سیمان جدید را تقریباً به یک سوم سیمان سنتی کاهش می دهد. این مقدار حرارت از دست رفته از سیمان را به حداقل می رساند زیرا سیال داغ از چاه های عمیق بازیابی می شود. این سیمان همچنین از چاه های زمین گرمایی در برابر شوک حرارتی محافظت می کند – یک تغییر سریع و شدید دما که می تواند باعث انبساط یا انقباض ساختارهای فولاد کربنی شود. مشابه نحوه نفوذ آب به آسفالت، یخ زدن و انبساط برای ایجاد ترک یا چاله در جاده ها، انبساط یا انقباض پوشش چاه زمین گرمایی می تواند ترک هایی را در سازه ها ایجاد کند و آنها را بی فایده کند. سیمان عایق سوگاما و پیاتینا از این اتفاق جلوگیری می کند.

پیاتینا گفت: “فناوری جدید ما تنها یکی از کمک های افسانه ای توشی به صنعت است.” او چندین دهه در حال خلق مطالب برنده جایزه بوده است.

یکی از مهم ترین نوآوری های تجاری Sugama سیمان ThermaLock است – تنها سیمان تجاری که برای چاه های زمین گرمایی با دی اکسید کربن بالا (CO) طراحی شده است.₂) محتوا. CO₂ در میدان های زمین گرمایی رایج است زیرا این گاز از سنگ های مذاب زیرزمینی آزاد می شود. گاز در مایعی که گرما را از سنگ ها حمل می کند حل می شود تا زمانی که با بخاری که توربین را می چرخاند بجوشد. قرار گرفتن مداوم در معرض CO₂ سیمان سنتی را در اثر یک واکنش شیمیایی به نام کربناته شدن تجزیه می کند. برای جلوگیری از این کربناته شدن و خوردگی ناشی از آن، سوگاما مواد معدنی زئولیت و فسفات کلسیم را ایجاد کرد که سیمان ThermaLock را با ترکیب خاکستر بادی، آلومینات کلسیم و پلی فسفات سدیم تشکیل می‌دهند. این نوآوری که توسط هالیبرتون تجاری شد و در سال 2000 برنده جایزه تحقیق و توسعه (R&D) 100 شد، دارای عمر مفید مورد انتظار 20 سال است.

Sugama همچنین یک پوشش پلی فنیلن سولفید (PPS) برای لوله های تبادل حرارت ایجاد کرده است. این پوشش از خوردگی جلوگیری می کند، هدایت حرارتی را بهبود می بخشد و حتی دارای قابلیت خود ترمیم شوندگی برای پر کردن ترک های میکروسکوپی ناشی از سایش و پارگی فیزیکی است. برخلاف عمر شش ماهه رقبای خود، این پوشش می تواند 20 سال شرایط سخت زمین گرمایی را تحمل کند. Sugama و Curran International (Curran & Sons سابق) پوشش PPS را با نام CurraLon تجاری کردند که در سال 2002 جایزه R&D 100 را برای آنها به ارمغان آورد.

علاوه بر این، سوگاما راندمان حفاری چاه‌های زمین گرمایی را با یک ماده آب‌بندی خود تخریب‌شونده که شکاف‌ها را در سنگ اطراف مسدود می‌کند، بهبود بخشیده است. این سیلر هزینه فرآیند حفاری را با جلوگیری از هدر رفتن سیالی که برای خنک کردن و روانکاری بیت استفاده می شود کاهش می دهد، که در غیر این صورت می تواند به داخل شکاف نفوذ کند. پس از اتمام حفاری، سیلر خود تجزیه می شود تا سیال تبادل حرارت بتواند از میان سنگ ها جریان یابد و گرمای جذب شده را به چاه منتقل کند.

تأثیرات گسترده تر

نوآوری های Sugama تأثیری بسیار فراتر از صنعت زمین گرمایی دارد. برای مثال سیمان ThermaLock آن نیز برای حفاظت از زیرساخت ها در حفاری نفت و گاز استفاده می شود. ThermaLock حتی می تواند با به دام انداختن آلاینده ها و جلوگیری از نفوذ آنها به آب های زیرزمینی یا شسته شدن توسط باران یا برف ذوب شده، خاک را اصلاح کند. پوشش های آن در نمک زدایی آب دریا، تصفیه آب و تاسیسات تهویه مطبوع استفاده شده است که همگی در معرض شرایط سخت و خورنده مانند آنچه در چاه های زمین گرمایی یافت می شوند. سازندگان همچنین از پوشش های سوگاما برای محافظت از بدنه خودروها، کشتی ها، هلیکوپترها و موتورهای هواپیما استفاده کرده اند. سیمان جدید سوگاما و پیاتینا کاربردهای بالقوه ای در صنعت ساخت و ساز دارد، جایی که خواص ضد آب آن می تواند به محافظت از ساختمان ها در برابر آسیب یخ، برف و باران کمک کند.

پیاتینا خاطرنشان کرد: توشی فوق‌العاده خلاق است و دائماً ایده‌هایی برای مواد جدیدی که خواص منحصر به فردی دارند، ارائه می‌کند.

ما خوشحالیم که توشی این افتخار ویژه را برای کمک های مهم خود در انرژی زمین گرمایی دریافت می کند. امی مارچیلاک، رئیس گروه ذخیره سازی انرژی و سیستم های انرژی در گروه علوم بین رشته ای. “خوشبختیم که او را به عنوان یکی از اعضای بخش خود داریم و مشتاقانه منتظر دستاوردهای بعدی او در این زمینه هستیم، از جمله مشارکت در یک بخش جدید مرکز تحقیقات انرژی زمین شات (EERC) بر روی مواد برای سیستم های زمین گرمایی پیشرفته متمرکز شده است.

سوگاما دکترای خود را به پایان رساند. در رشته شیمی در سال 1975 از دانشگاه دنک در توکیو، ژاپن. او سه سال بعد به آزمایشگاه Brookhaven ملحق شد و به عنوان محقق اصلی تقریباً در هر پروژه ای که توسط دفتر فناوری زمین گرمایی DOE تامین می شود، خدمت کرده است. او در سال 2001 جایزه علوم و فناوری آزمایشگاه Brookhaven را دریافت کرد و در سال 2003 به عنوان “مخترع برجسته” Battelle نام گرفت. سوگاما همچنین دو جایزه R&D 100 اضافی را در سال‌های 1988 و 1999 برای پوشش فسفات روی دریافت کرد که خوردگی فولاد و آزبست را کاهش می‌دهد. . Sugama دارای بیش از 200 نشریه در زمینه مواد زمین گرمایی و دارای 15 اختراع است.

آزمایشگاه ملی بروکهاون توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود. دفتر علوم بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر مراجعه کنید Science.energy.gov.

BrookhavenLab@ را در رسانه های اجتماعی دنبال کنید. ما را در پیدا کنید اینستاگرام، لینکدین، توییترو فیس بوک.