ضرب الكتب: لماذا قادت أمريكا البنزين لديها

دق المحرك ، حيث يشتعل الوقود بشكل غير متساو على طول جدار الأسطوانة مما يؤدي إلى موجات صدمات طرقية ضارة ، وهي مشكلة كافحت شركات صناعة السيارات للتخفيف من حدتها منذ أيام النموذج T. وكانت المحاولات الأولية للصناعة لحل المشكلة – أي الرصاص رباعي الإيثيل – في الإدراك المتأخر ، خطأ فادح ، أنهار وذهل جيل كامل من الأمريكيين بمنتجاتهم الثانوية السامة للأعصاب.

يفحص الدكتور فاكلاف سميل ، الأستاذ الفخري بجامعة مانيتوبا في وينيبيغ ، المنطق الاقتصادي قصير النظر الذي يؤدي إلى الغاز المحتوي على الرصاص بدلاً من شبكة وطنية من محطات الإيثانول في كتابه الجديد الاختراع والابتكار: تاريخ موجز للدعاية والفشل. غاز الرصاص ليس هو التقدم الوحيد المفترض الذي يمر مثل بالون الرصاص. الاختراع والابتكار مليء بقصص الإنسانية عن أفضل نوايا البشرية وأكثرها سوء تصور والأفكار شبه الجاهزة عمومًا – من المناطيد و hyperloops إلى DDT و CFCs.

مقتبس من الاختراع والابتكار: تاريخ موجز للدعاية والفشل بواسطة البروفيسور فاكلاف سميل. أعيد طبعها بإذن من مطبعة معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا. حقوق الطبع والنشر 2023.

بعد سبع سنوات فقط ، بدأ هنري فورد في بيع سيارته طراز T ، وهي أول سيارة ركاب متينة وذات أسعار معقولة ، وفي عام 1911 قام تشارلز كيترينج ، الذي لعب لاحقًا بدور رئيسي في تطوير البنزين المحتوي على الرصاص ، بتصميم أول مشغل كهربائي عملي ، والذي تجنب التدوير اليدوي الخطير. وعلى الرغم من أن الطرق الوعرة كانت لا تزال شحيحة حتى في الجزء الشرقي من الولايات المتحدة ، إلا أن تشييدها بدأ في التسارع ، حيث زاد طول الطريق السريع الممهد في البلاد إلى أكثر من الضعف بين عامي 1905 و 1920. ولا تقل أهمية عن عقود من اكتشافات النفط الخام. من خلال التقدم في التكرير وفرت الوقود السائل اللازم للتوسع في النقل الجديد ، وفي عام 1913 أدخلت شركة Standard Oil of Indiana التكسير الحراري للنفط الخام بواسطة William Burton ، وهي العملية التي أدت إلى زيادة إنتاج البنزين مع تقليل حصة المركبات المتطايرة التي تشكل الجزء الأكبر من الغازولين الطبيعي.

لكن امتلاك سيارات أكثر موثوقية وبأسعار معقولة ، وطرق أكثر رصفًا ، وإمدادًا موثوقًا بالوقود المناسب لا يزال يترك مشكلة متأصلة في دورة الاحتراق التي تستخدمها محركات السيارات: الميل إلى الضرب العنيف (pinging). في محرك البنزين الذي يعمل بشكل مثالي ، يبدأ احتراق الغاز فقط من خلال شرارة موقوتة أعلى غرفة الاحتراق وتتحرك مقدمة اللهب الناتجة بشكل موحد عبر حجم الأسطوانة. تحدث الخبطات بسبب الاشتعال التلقائي (انفجارات صغيرة ، انفجارات صغيرة) التي تحدث في الغازات المتبقية قبل أن يتم الوصول إليها من خلال جبهة اللهب التي بدأتها شرارة. الضرب يخلق ضغوطًا عالية (تصل إلى 18 ميجا باسكال ، أو ما يقرب من 180 مرة من مستوى الغلاف الجوي الطبيعي) ، وموجات الصدمة الناتجة ، التي تنتقل بسرعات أكبر من الصوت ، تهتز جدران غرفة الاحتراق وتصدر أصواتًا تخبرنا عن طرقات معطلة محرك.

أصوات الطرق مزعجة بأي سرعة ، ولكن عندما يعمل المحرك بحمل كبير يمكن أن يكون مدمرًا للغاية. يمكن أن تتسبب الضربات الشديدة في أضرار جسيمة لا يمكن إصلاحها للمحرك ، بما في ذلك تآكل رأس الأسطوانة ، وحلقات الكباس المكسورة ، والمكابس الذائبة ؛ وأي طرق تقلل من كفاءة المحرك وتطلق المزيد من الملوثات ؛ على وجه الخصوص ، فإنه يؤدي إلى انبعاثات أعلى من أكسيد النيتروجين. تعتمد القدرة على مقاومة الخبط – أي استقرار الوقود – على الضغط الذي سيشتعل عنده الوقود تلقائيًا وقد تم قياسه عالميًا بأرقام الأوكتان ، والتي يتم عرضها عادةً بواسطة محطات التعبئة بأرقام سوداء غامقة على خلفية صفراء.

الأوكتان (C8H18) هو أحد الألكانات (الهيدروكربونات بالصيغة العامة CnH2n + 2) التي تشكل ما بين 10 إلى 40 بالمائة من الزيوت الخام الخفيفة ، وأحد أيزومراتها (مركبات لها نفس العدد من ذرات الكربون والهيدروجين ولكن مع تم أخذ بنية جزيئية مختلفة) ، 2،2،4-تريميثيبنتان (iso-octane) كحد أقصى (100 بالمائة) على مقياس تصنيف الأوكتان لأن المركب يمنع تمامًا أي طرق. كلما ارتفع تصنيف الأوكتان للبنزين ، زادت مقاومة الوقود للخبط ، ويمكن للمحركات أن تعمل بكفاءة أكبر مع نسب ضغط أعلى. تقدم مصافي التكرير في أمريكا الشمالية الآن ثلاث درجات من الأوكتان ، والبنزين العادي (87) ، والوقود المتوسط ​​(89) ، ومزيج الوقود المتميز (91-93).

خلال العقدين الأولين من القرن العشرين ، وهي المرحلة الأولى من توسع السيارات ، كانت هناك ثلاثة خيارات لتقليل الطرق المدمرة أو القضاء عليها. الأول كان الحفاظ على نسب الضغط لمحركات الاحتراق الداخلي منخفضة نسبيًا ، أقل من 4.3: 1: الطراز T الأكثر مبيعًا من Ford ، والذي تم طرحه في عام 1908 ، كان بنسبة ضغط 3.98: 1. والثاني هو تطوير محركات أصغر ولكن أكثر كفاءة تعمل بوقود أفضل ، والثالث هو استخدام مواد مضافة تمنع الاشتعال غير المنضبط. كان الحفاظ على معدلات الضغط منخفضة يعني إهدار الوقود ، وكان انخفاض كفاءة المحرك مصدر قلق خاص خلال سنوات التوسع الاقتصادي السريع بعد الحرب العالمية الأولى ، حيث أدى ارتفاع ملكية السيارة لسيارات أكثر قوة وأكثر اتساعًا إلى مخاوف بشأن مدى كفاءتها على المدى الطويل من إمدادات النفط الخام المحلية والاعتماد المتزايد على الواردات. وبالتالي ، فإن المواد المضافة تقدم أسهل طريقة للخروج: فهي تسمح باستخدام وقود منخفض الجودة في محركات أكثر قوة تعمل بكفاءة أكبر مع نسب ضغط أعلى.

خلال العقدين الأولين من القرن العشرين ، كان هناك اهتمام كبير بالإيثانول (كحول إيثيلي ، C2H6O أو CH3CH2OH) ، كوقود للسيارة وكمضاف للبنزين. أثبتت العديد من الاختبارات أن المحركات التي تستخدم الإيثانول النقي لن تطرق أبدًا ، وتمت تجربة مزيج الإيثانول مع الكيروسين والبنزين في أوروبا والولايات المتحدة. من بين أنصار الإيثانول المعروفين ألكساندر جراهام بيل وإليهو طومسون وهنري فورد (على الرغم من أن فورد لم تصمم ، كما تدعي العديد من المصادر خطأً ، الموديل T للعمل على الإيثانول أو لتكون مركبة ذات وقود مزدوج ؛ كان يجب تزويدها بالوقود بالبنزين) ؛ اعتبر تشارلز كيترينج أنها وقود المستقبل.

لكن ثلاثة عيوب أدت إلى تعقيد تبني الإيثانول على نطاق واسع: لقد كان أغلى من البنزين ، ولم يكن متوفرًا بكميات كافية لتلبية الطلب المتزايد على وقود السيارات ، وزيادة إمداداته ، حتى لو تم استخدامه كمادة مضافة مهيمنة ، من شأنه أن طالبوا بحصة كبيرة من إنتاج المحاصيل. في ذلك الوقت ، لم تكن هناك طرق مباشرة وميسورة التكلفة لإنتاج الوقود على نطاق واسع من النفايات السليلوزية الوفيرة مثل الخشب أو القش: كان السليلوز يتحلل أولاً بحمض الكبريتيك ثم تخمر السكريات الناتجة. هذا هو السبب في أن وقود الإيثانول مصنوع في الغالب من نفس المحاصيل الغذائية التي كانت تستخدم في صنع الكحول (بكميات أصغر بكثير) للشرب والاستخدامات الطبية والصناعية.

بدأ البحث عن مادة مضافة جديدة وفعالة في عام 1916 في مختبرات أبحاث تشارلز كيترينج في دايتون مع توماس ميدجلي ، وهو مهندس ميكانيكي شاب (من مواليد 1889) ، مسؤول عن هذا الجهد. في يوليو 1918 ، تم إعداد تقرير بالتعاون مع الجيش الأمريكي ومكتب المناجم بالولايات المتحدة ، وأدرج الكحول الإيثيلي والبنزين والهكسان الحلقي على أنها المركبات التي لا تنتج أي طرق في المحركات عالية الضغط. في عام 1919 ، عندما تم تعيين كيترينج من قبل جنرال موتورز لرئاسة قسم الأبحاث الجديد ، عرّف التحدي بأنه واحد من تفادي نقص الوقود الذي يلوح في الأفق: كان من المتوقع أن تختفي إمدادات النفط الخام المحلية في الولايات المتحدة في غضون خمسة عشر عامًا ، و “إذا تمكنا من النجاح رفع ضغط محركاتنا. . . يمكننا مضاعفة المسافة المقطوعة وبالتالي إطالة هذه الفترة إلى 30 عامًا “. رأى Kettering طريقين لتحقيق هذا الهدف ، باستخدام مادة مضافة كبيرة الحجم (الإيثانول أو ، كما أظهرت الاختبارات ، وقود يحتوي على 40 في المائة من البنزين الذي أزال أي طرق) أو بديل منخفض النسبة المئوية ، أقرب إلى محلول اليود بنسبة 1 في المائة ولكن أفضل منه تم اكتشافه بالصدفة في عام 1919 ليكون له نفس التأثير.

في أوائل عام 1921 ، علم كيترينج عن تخليق فيكتور لينر لأوكسي كلوريد السيلينيوم في جامعة ويسكونسن. أظهرت الاختبارات أنه مركب فعال للغاية ولكنه ، كما هو متوقع ، مركب مضاد للخبط بدرجة عالية ، لكنها أدت مباشرة إلى النظر في مركبات العناصر الأخرى في المجموعة 16 من الجدول الدوري: أظهر كل من ثنائي إيثيل سيلينيد وثنائي إيثيل تيلورايد مضادًا أفضل. – خواص طقطقة لكن المركب الأخير كان ساماً عند استنشاقه أو امتصاصه عبر الجلد وله رائحة ثوم قوية. كان Tetraethyl tin هو المركب التالي الذي وجد أنه فعال بشكل متواضع ، وفي 9 ديسمبر 1921 ، لم ينتج محلول مكون من 1 بالمائة رباعي إيثيل الرصاص (TEL) – (C2H5) 4 Pb – أي طرق في محرك الاختبار ، وسرعان ما تم اكتشافه. فعال حتى عند إضافته بتركيزات منخفضة تصل إلى 0.04 في المائة من حيث الحجم.

تم تصنيع TEL في الأصل في ألمانيا بواسطة Karl Jacob Löwig في عام 1853 ولم يكن له استخدام تجاري سابق. في يناير 1922 ، تم التعاقد مع DuPont و Standard Oil of New Jersey لإنتاج TEL ، وبحلول فبراير 1923 ، أصبح الوقود الجديد (مع المادة المضافة الممزوجة بالبنزين في المضخات عن طريق أجهزة بسيطة تسمى ethylizers) متاحًا للجمهور في مساحة صغيرة. عدد محطات الوقود. حتى مع استمرار الالتزام بـ TEL ، أقر Midgley و Kettering بأن “الكحول هو بلا شك وقود المستقبل” ، وأظهرت التقديرات أنه يمكن توفير مزيج بنسبة 20 بالمائة من الإيثانول والبنزين في عام 1920 باستخدام حوالي 9 بالمائة فقط من محاصيل الحبوب والسكر في البلاد مع توفير سوق إضافي للمزارعين الأمريكيين. وخلال فترة ما بين الحربين العالميتين ، استخدم العديد من البلدان الأوروبية وبعض البلدان الاستوائية مزيجًا من 10-25 في المائة من الإيثانول (المصنوع من فائض المحاصيل الغذائية ونفايات مصانع الورق) والبنزين ، ومن المسلم به أن للأسواق الصغيرة نسبيًا مثل ملكية السيارات العائلية قبل الحرب العالمية الثانية في كانت أوروبا مجرد جزء بسيط من متوسط ​​الولايات المتحدة.

تضمنت البدائل المعروفة الأخرى سوائل مصفاة التكسير في الطور البخاري ، ومزيج البنزين ، والبنزين من خامات النفثين (التي تحتوي على القليل من الشمع أو لا تحتوي على شمع). لماذا قررت شركة جنرال موتورز ، التي تدرك جيدًا هذه الحقائق ، ليس فقط اتباع مسار TEL ولكن أيضًا الادعاء (على الرغم من فهمها الصحيح) أنه لا توجد بدائل متاحة: “بقدر ما نعرف في الوقت الحاضر ، رباعي إيثيل الرصاص هي المادة الوحيدة المتاحة التي يمكن أن تحقق هذه النتائج “؟ عدة عوامل تساعد في تفسير الاختيار. كان طريق الإيثانول يتطلب تطويرًا واسع النطاق لصناعة جديدة مخصصة لمضافات وقود السيارات التي لا يمكن التحكم فيها من قبل جنرال موتورز. علاوة على ذلك ، كما لوحظ بالفعل ، فإن الخيار المفضل ، وهو إنتاج الإيثانول من النفايات السليلوزية (بقايا المحاصيل ، والخشب) ، بدلاً من المحاصيل الغذائية ، كان مكلفًا للغاية بحيث لا يكون عمليًا. في الواقع ، فإن الإنتاج الواسع النطاق للإيثانول السليلوزي عن طريق التحولات الأنزيمية الجديدة ، الموعود بأن يكون ذا أهمية في صنع الحقبة في القرن الحادي والعشرين ، قد فشل في توقعاته ، وبحلول عام 2020 ، فإن الإنتاج الأمريكي الضخم للإيثانول (يستخدم كمنتج) المضافات المضادة للطرق) استمرت في الاعتماد على تخمير الذرة: في عام 2020 ، استحوذت على ما يقرب من ثلث محصول الذرة في البلاد.