سیگما

گرمانگار

گرماسنجي فروسرخ،‌تصويربرداري گرمايي و ويدئوي گرمايي مثال‌هايي از علم تصويرداري فروسرخ نيست. دوربين‌هاي تصويربرداري گرمايي تابش فروسرخ را آشكارسازي مي‌‌كنند كه در طيف الكترومغناطيس در گستره‌ي حدود 9000 تا 14000 نانومتر يا 9- 14 ميكرومتر هستند. به اين نوع دستگاه‌‌ها گرمانگار مي‌گوييم. تابش فروسرخ را هر جسمي كه دمايش بالاي دماي صفر مطلق باشد گسيل مي‌كند و اين را از قانون تابش جسم سياه هم داريم. گرمانگاري باعث مي‌شود بتوانيم حتي در گستره‌ي خارج از نور مرئي اجسام را ببينيم. ميزان تابش گسيلي با دما افزايش دما، بيشتر مي‌شود. كه سبب مي‌شود تغييرات دمايي را بتوانيم ببينيم. وقتي با دوربين گرمايي نگاه مي‌كنيم، اجسام گرم از زمينه‌ي سردي كه در آن قرار دارند متمايز هستند،‌خواه آدم باشد يا حيوان كه خون در بدن آنها در جريان است و اجسامي كه دمايي بالاتر از محيطي كه در ان هستند دارند. كاركرد اين نوع تصويرداري در شب و روز تفاوتي ندارد چون به نور وابسته نيست هرچند ميزان گرماي اجسام مختلف در شب و روز فرق دارد. گرماسنجي براي مقاصد مختلف بخصوص نظامي و نگهباني مورد استفاده قرار مي‌گيرد. ولي در محيط زيست و مطالعات مرتبط با حيات وحش نيز كاربرد وسيعي دارد.

گرماسنجي تاريخچه طولاني دارد كه با صنعت و اقتصاد 50 سال اخير عجين شده است. پرسنل ارگان‌هاي خاص دولتي و هواپيمايي از آن براي آشكارسازي آنفولانزاي خوكي در سال 2009 استفاده كردند. آتشنشان‌ها از اين تصاوير براي ديد در اتش‌سوزي‌ها و يافتن افراد و محل اصلي علت آتش‌سوزي استفاده مي‌كنند. تكنسين‌هاي نگهداري و محيط‌هاي داخلي براي بررسي وضعيت گرمايي و تهويه و فيزيولوژيست‌ها براي تغييرات در بدن خون‌گرم‌ها و بخصوص انسان‌ها از اين روش استفاده مي‌كنند.

ظاهر و عملكرد دوربين‌هاي مدرن گرمانگاري شبيه هندي‌كم هاي معمولي است. اغلب تصاوير زنده‌ي گرمايي خيلي بهتر از تصاوير معمولي مي‌توانند براي ميزان تغييرات دمايي مفيد باشند. CCD و ‍CMOS سنسورهايي هستند كه برا نور مرئي استفاده مي‌شوند. كه به بخش غيرگرمايي طيف فروسرخ به نزديك به فروسرخ (Near-Infrared) معروف است. دوربين‌هاي گرمايي از يك آرايه‌ي صفحه‌ي كانوني استفاده مي‌كنند كه به طول‌موج‌هاي بلندتر واكنش نشان مي‌دهد.

انواع تجاري و معمول اين نوع دوربين‌ها InSb (اينيديم آنتي‌مونيد)، InGaAs (اينيديم گاليم آرسنايد)، HgCdTe(تلورايد كادميم جيوه) و QWIP  (Quantum Well Infrared Photodetector)- آشكارساز چاه‌پتانسيل كوانتمي فروسرخ است.

ميكروبولومتر 

جديدترين فناوري‌ها از ميكروبولومتر‌هاي غيرسرد ارزان به عنوان سنسور استفاده مي‌كنند. وضوح آن‌ها از دوربين‌هاي اُپتيكي به مراتب كمتر است (120*160 و همينطور 240*320) كه البته نمونه‌هاي گران‌تر هم دارند كه تفكيكشان 512*640 به بالاست. دوربين‌هاي گرمايي در كَُل بسيار گران‌تر از اُپتيكي هستند و فناوري آن‌ها به دليل استفاده‌هايش در دسترس عموم نيست. 

تصاوير گرمايي يا دمانگاشت‌ها تصويري مرئي از ميزان انرژي گسيلي، رسانشي و بازتابي فروسرخ يك جسم را نشان مي‌دهد. چون منابع گرمايي متعددي در يك محيط وجود دارد،‌ نمي‌توان دماي يك جسم را خيلي دقيق با اين روش بدست آورد. دوربين گرمايي مي‌تواند الگوريتمي درست كند كه داده‌ها را تفسير و بعد تصوير بسازد. اگرچه تصوير ناظر را در دماي تقريبي‌اش نشان مي‌دهد، ولي دوربين از منابع متعدد داده‌ها برمبناي منباع گرمايي كه مي‌تواند در گستره اندازه‌گيري‌اش داشته باشد،‌ استفاده مي‌كند و مي‌تواند بجاي دماي دقيق، مقدار آن را اندازه بگيرد.

اين پديده ممكن است با فرمول انرژي ورودي=انرژي گسيلي+انرژي گذار+انرژي انعكاسي، محسوس‌تر باشد كه انرژي ورودي را ما بصورت تصوير گرمايي مي‌بينيم. اگر چسمي از محيط اطرافش گرم‌تر باشد،‌توان گذار اتفاق مي‌افتد و توان از گرما به سرما بنا به اصل قانون دوم ترموديناميك تابش خواهد داشت. بنابراين منطقه‌ي سرد در گرمانگار وجودت داشته باشد، جسم تابش گسيلي از جسم سرد را جذب خواهد كرد. توان دو جسم براي گسيل يا جذب اين تابش گسيل ناميده مي‌شود. در محيط بيرون، انتقال سرما از طريق بايد ممكن است كه انتقال سرما از طريق باد هم ممكن است اتفاق بيفتد كه از دقت اندازه‌گيري كم ميكند.

دوربين‌هاي تصويربرداري گرمايي از الگوريتم‌هاي رياضياتي استفاده مي‌كنند. فقط اين‌دوربين‌ها مي‌توانند طيف الكترومغاطيس تابش را آشكارسازي كنند و چشم فقط بخشي از گستره‌ي مرئي را مي‌بيند كه خود جزو طيف الكترومغناطيس. دوربين تصويري از آشكارسازي‌اش را معمولا ً با فرمت JPG نشان مي‌دهد.

بعضي اجسام تابش‌هاي مختلفي در طول‌موج‌هاي بلند دارند. اين تابش‌ها مي‌تواند بصورت تابعي از دما تغيير كند. براي اينكه تصوير توليد شود،‌ گرمانگار را در جدول‌هاي تابش بررسي كرد تا مقدار تابش جسم را بتوانيم با آن مقايسه كنيم. الگورتيم دوربين دما را با استفاده از گسيل براي محاسبه‌ي دمايي كه بيشتر به جسم واقعي نزديك است تصحيح مي‌كند.

تفاوت بين فروسرخ و گرمانگار

فيلم IR (تابش فروسرخ) در گستره‌ي 250 تا 500 درجه سلسيوس و گرمانگار 50- تا 2000 درجه سلسيوس هستند. بنابراين دماي جسمي كه دوربين فروسرخ نشان مي‌دهد حداقل بايد 250 درجه سلسيوس باشد. دوربين‌هاي ديد درشب و نجومي در دماي بسيار پايين بايد تصويربرداري كنند. بنابراين دوربين‌هاي فروسرخ براي پيدا كردن هدف‌هاي خاص مثل منشا آتش‌سوزي و هسته اصلي دماي بالاي يك منطقه و غيره هم مي‌تواند مفيد باشد. ولي همچنان گستره‌ي گرمانگار از آن خيلي بيشتر است.

تصاوير پوزيتيو (مثبت) و پويا در گرمانگاري

همه‌ي اجسام بالاي صفر مطلق (يعني صفر كلوين)‌ هستند و درنتيجه تابش فروسرخ دارند. پس يك راه خيلي خوب مي‌تواند اندازه‌گيري تغييرات گرمايي با استفاده از دوربين‌هاي فروسرخ است كه با نام FPA (focal plane array)معروفند و مي توانند گستره‌ي 3 تا5 ميكرومتر در ميانه‌هاي طيف و طول‌موج بلند 7تا14 ميكرومتر را آشكارسازي كنند كه با نام‌هاي MWR و LWIR متناظر است با پنجره‌هاي گذار فروسرخ. منظور از پنجره همان گستره‌ي عبوري و قابل آشكارسازي اين ابزار است.

در گرمانگاري پوزيتيو، مشخصه‌ي مورد بررسي طبيعتاً بايد دماي خيلي‌بالا يا خيلي پايين داشته باشد تا از بقيه‌ي تصوير متمايز باشد. كاربردهاي خاص اين روش، نجات جان آسيب‌ديدگان وقايع مختلف و استفاده پزشكي است.

در گرمانگاري پويا، منبع انرژي بايد تضاد گرمايي بارزي نسبت به محيط اطرافش داشته باشد ولي مهم توصير زمينه است.

مزيت‌هاي گرمانگاري

1.     تصوير مرئي از ميزان گرماي جسم در گستره‌ي وسيعي از دماها را نشان مي‌دهد.

2.     مي‌تواند هدف‌هاي متحرك را شناسايي و دنبال كند.

3.     توده‌هاي بدخيم را ميتواند شناسايي كند. دماهاي بالاتر نشان از برطرف مشكلاتي مثل توده‌هاي غيرطبيعي در بدن هستند.

4.     مناطق غيرقابل دسترس را مي‌توان با آن‌ها مشاهده كرد.

5.     روش غيرمخرب شناسايي بخصوص در پزشكي است.

6.     در تاسيسات لوله‌كشي هم براي شناسايي بخش‌هاي آسيب ديده يا خاص كاربرد دارد.

7.     اجسام را در تاريكي شناسايي مي‌‌كند.

محدوديت‌ها و مضرات گرمانگاري

1.     باتوجه به حجم كم تصاوير، كيفيتشان مطلوب نيست. انواع خوب بالاي 6000 دلار به بالا فروخته مي‌شوند.

2.     گاهي به‌سختي مي‌توان تصاوير را با جزييات تشخيص داد. بخصوص در روش پويا.

3.     اندازه‌گيري دقيق دما، به دليل گسيل‌هاي متفاوت و بازتاب سطحي ممكن نيست.

4.     بيشتر دوربين‌ها +/- 2 درصد يا بدتر دقت دارند نسبت به روشهاي تماسي. منظور از روش تماسي اندازه‌گيري دما از طريق قرار دادن گرماسنج يا دماسنج در محيط به‌طور مستقيم است.

5.     فقط به‌طور مستقيم مي‌تواند دماي سطحي را نشان دهد.

كاربردها

اين نوع دوربين انرژي را در طول‌موج‌هاي فروسرخ به نور مرئي تبديل مي‌كنند. طيف و مقدار تابش دماي سطحي اجسام دارد. به همين دليل كار تصويربرداري راحت‌تر مي‌شود. عوامل ديگري مثل ميزان گسيل تابش هرجسم مي‌تواند در اين اندازه‌گيري تعيين كننده باشد. گاهي اجسام نسبت به دمايي كه دارند كم‌تر تابش دارند. يه عامل ديگر جذب گرما توسط جو زمين است.

پرتو ايكس هم مثل بسياري از كشف‌ها تصادفي بود. 1895 فيزيكدان آلمان ويلهلم رونتگن در حين آزمايش باريكه‌ي الكترون در گاز بدون بار اين كشف را انجام داد. رونتگن متوجه شد كه صفحه‌ي فلئورسنت در آزمايشگاهش زمان روشن شدن باريكه‌ي نور در لوله‌‌ي گاز مورد آزمايش، روشنايي ديگري را هم مي‌بينيد. اين پديده به خودي خود عجيب نبود چون ماده فلئورسنت در اندركنش‌هاي تابش الكترومغناطيسي  نور مي‌تاباند. ولي لوله‌ي آزمايش رونتگن با مقواي ضخيم سياهي پوشيده شده بود! او فرض كرد كه اين تابش حتماً ناشي از مسدود كردن مسير نور به بيرون از محيط لوله بوده است.

رونتگن اجسام مختلفي را بين لوله و صفحه گذاشت ولي همچنان تابش به بيرون وجود داشت. بالاخره دستش را جلوي لوله گرفت و تصوير استخوان‌هايش را در صفحه فلئورسنت ديد!‌رونتگن بعد از كشف اين پرتو، بلافاصله كاربردهايي هم برايش پيدا كرد.

اين كشف قابل توجه يكي از مهم‌ترين دستاوردهاي پزشكي در تاريخ بشر شد. فناوري پرتو ايكس پزشكان را قارد مي‌سازد تا استخوان‌هاي شكسته،‌ پوكي‌استخوان، دندان‌ها‌ و  اجسام بلعيده شده يا فرورفته در بدن را مشاهده نمايند. پرتو ايكس كنترل شده امروزي مي‌تواند براي تست گلبول‌هاي خون، حنجره و روده هم بكار رود.

در اين مطلب خواهيم ديد كه چطور يك ماشين پرتو ايكس اين كارها را براي كا ميسر مي‌‌كند. ولي قبل از آن مفهوم پرتو ايكس را مرور مي‌‌كنيم.

پرتو ايكس چيست؟

پرتوهاي ايكس درست شبيه نور مرئي هستند. هردو موج‌گونه‌اي از انرژي الكترومغناطيسي هستند كه توسط ذرات حمل مي‌شوند كه ما آنها را فوتون مي‌ناميم. فرق بين پرتوهاي ايكس و نور مرئي در تراز انرژي فوتون‌هاي حامل آنهاست. در فيزيك به آن طول موج هم مي‌گوييم.

چشمان ما به طول‌موج‌هاي خاصي از نور مرئي حساس است و طول‌موج‌هاي كوتاه‌تر مثل ايكس يا بلندتر مثل راديويي را نمي‌بيند.

فوتون‌هاي نور مرئي و  ايكس هردو بوسيله‌‌ي الكترون‌هاي درحال حركت در اتم‌ها توليد مي‌شوند. الكترون‌ها در تراز‌هاي انرژي مختلفي جاي مي‌گيرند كه به آنها اوربيتال مي‌گوييم كه محيط هسته‌ي اتم است. وقتي الكتروني در اوربيتال يا تراز پايين‌تر مي‌افتد بايد انرژي آزاد كند؛ يعني انرژي اضافي به شكل فوتون. تراز انرژي فوتون به دوري الكترون از هسته بستگي دارد (شكل2).

وقتي يك فوتون به اتم ديگري برخورد مي‌كند،‌اتم انرژي فوتون را جذب و يكي از الكترون‌هاي اتم به تراز بالاتر مي‌رود. براي اينكه اين اتفاق بيفتد،‌تراز انرژي فوتون بايد با اختلاف انرژي دو مكان الكترون (قبل و بعد از برخورد فوتون)  يكسان باشد. به عبارت بهتر انرژي فوتون فرودي تراز بعدي الكتروني راكه دور هسته مي‌چرخيد تعيين مي‌كند. اگر اين اختلاف انرژي با انرژي فوتون يكسان نباشد، يعني به ميزان انرژي فوتون فرودي الكترون قابليت تغيير تراز نداشته باشد، اين انتقال اتفاق نمي‌افتد.

اتم‌ها هستند كه بدن شما را مي‌سازند و نور مرئي را هم بخوبي جذب مي‌كنند. تراز انرژي فوتون گسيلي با اختلاف انرژي‌ بين مكان‌هاي الكترون يكي ‌است. امواج راديويي انرژي كافي براي حركت دادن الكترون‌ها بين اربيتال‌ها يا مدارها در اتم‌هاب بزرگ‌تر ندارند،‌ درنتيجه از اتم‌ها گذر مي‌كنند و جذب نمي‌شوند. فوتون‌هاي پرتو ايكس هم از بسياري از اجسام عبور مي‌كنند ولي دليلش كاملاً متفاوت است. آن‌ها بسيار پُر انرژي هستند.

آن‌ها مي‌توانند الكترون را حتي از اتم‌ خارج كنند. بعضي‌ از مقادير انرژي فوتون پرتوهاي ايكس،‌ در حدي هست كه هم الكترون را از اتم خارج ميكند هم انرژي اوليه‌اي براي حركت به آن مي‌دهد. اتم بزرگتر فوتون را مي‌تواند جذب كند  چون اتم‌هاي بزرگتر اختلاف اوربيتالهاي انرژي بزرگتري دارند (تراز انرژي با انرژي فوتون فرودي بيشتر همخواني دارد). اتم‌هاي كوچكتر اروبيتال‌هاي انرژي كوچك‌تري دارند كه باعث مي‌شود اتم كمتر فوتون رو بتواند جذب كند.

 ماشين پرتو ايكس

قلب ماشين پرتو ايكس جفت الكترود( كاتود و آنود) است كه داخل لوله خلأ شيشه‌اي قرار گرفته‌اند. كاتود، فيلامان گرم‌شده‌اي‌ است كه در لامپ‌هاي قديمي‌ هم مي‌توانيد آنها را ببينيد. ماشين جريان را از فيلامان گذرانده، گرم مي‌كند. گرما الكترون‌ها را به سمت سطح هُل مي‌دهد. آنود بار مثبت، صفحه‌ي تخت تنگستني است كه الكترون‌ها در لوله حركت مي كنند.

اختلاف ولتاژ بين كاتود و آنود بسيار بالاست بطوريكه‌ الكترون‌ها با نيروي زيادي در لوله به حركت در مي‌آيند. وقتي الكترون‌هاي سرعت گرفته با اتم تنگستن برخورد مي‌كنند، يك الكترون در تنگستن تغيير مدار(اوربيتال) مي‌دهد و به تراز پايين‌تري مي‌رود. يك الكترون در اوربيتال بالاتر به تراز پايين‌تر مي‌افتد و انرژي اضافي بصورت تابش فوتون آزاد مي‌شود. اين فوتون پُرانرژي‌ است؛ يعني پرتو ايكس.

ا

الكترون آزاد به اتم تنگستن برخورد مي‌كند، الكتروني را به مدار پايين‌تر مي‌بر. الكترون با اوربيتال بالاتر 

به تراز خالي مي‌افتد و پرتو يا همان فوتون ساطع مي‌كند.

لكترون‌هاي آزاد هم فوتون‌هايي آزاد مي كنند كه ناشي از برخورد نيست. درست مثل دنباله‌داري كه دور خورشيد مي‌گردد و دور مي شود، الكترون در حين گذر از اتم، سرعت كم مي‌كند و تغيير جهت مي‌دهد. اين كنش ترمزي، سبب مي‌شود كه الكترون انرژي را بصورت پرتو ايكس ساطع مي‌كند.

الكترون آزد جذب هسته‌‌ي تنگستن مي‌شود. وقتي به هسته نزديك مي‌شود سرعتش كم شده

و موقع عبور مطابق شكل مسير الكترون عوض شده و بطبق بقاي تكانه و انرژي،‌ فوتون در گستره پرتو ايكس منتشر مي‌شود. 

برخوردهاي انرژي بالا در توليد پرتو ايكس گرماي زيادي توليد مي‌كنند. موتور آنود را مي‌چرخاند و مانع از ذوب شدنش مي‌شود (باريكه‌ي الكترون هميشه روي آن منطقه متمركز نيست). دوش روغن سرد محيط را سرد مي‌كند. مكانيسم كُلي با يك سپر ضخيم احاطه شده است. اين باعث مي‌شود پرتو ايكس از هيچ جهتي نشت نمي‌كند. يك پنجره‌ي كوچك در محافظ تعبيه شده كه سبب مي‌شود باريكه‌اي از پرتو ايكس تابيده شود. باريكه از يك سري فيلتر مي‌گذرد تا به بيمار برسد.

در پرتوهاي ايكس معمولي، بيشتر دستمال‌هاي نرم به وضوح ديده نمي‌شوند. براي كانوني ‌كردن روي اعضا يا آزمايش خون از دستگاه‌هاي مدور استفاده مي‌شود و پزشكها بايد از روش ماده متضاد استفاده كنند. ماده متضاد سيالي است كه پرتوهاي ايكس را بطور مؤثري جذب مي‌كند. براي اينكه دستگاه درگوارش و دستگاه‌هاي ترشحي آورده شود، بيمار ماده متضاد را غورت مي‌دهد  كه عموماً تركييبي از باريم است. اگر پزشكان خواستند آزمايش مجاري خون يا ديگر اعضا را انجام دهند، ماه متضاد را در مسير جريان خون تزريق مي‌كنند. ماده متضاد اغلب در فلوئورسكوپ استفاده مي‌شود. در فلوئورسكپي پرتو ايكس از بدن گذشته در صفحه‌اي تصوير پرتو ابيس در حال حركت ديده مي‌شود. پزشكان ممكن است از از اين روش براي رديابي مسير ماده متضاد در بدن استفاده كنند. پزشكان مي‌توانند بصورت ويدئويي اين تصاوير را ضبط كنند.

يك دوربين در طرف مقابل بيمار الگوي نور پرتو ايكس گذرنده از بدن بيمار را ثبت مي‌كند. دوربين پرتو ايكس همان فناوري  دوربين‌هاي معمولي را استفاده مي‌كند، ولي نور پرتو ايكس برهمكنش شيميايي بجاي نور مرئي دارد (امولسيون).

عموماً پزشكان  تصوير اين فيلم را بصورت نگاتيو مي‌گيرند. يعني منطقه‌اي كه نوردهي شده، اگر نور بيشتري گرفته باشد تاريك‌تر و برعكس خواهد بود. مواد سخت مثل استخوان، در عكس‌ها ياه و سفيد ديده مي‌شوند و مواد نرم‌تر خاكستري و سفيد. پزشكها از مواد مختلف براي كانوني كردن پرتوهاي ايكس با شدت‌هاي مختلف استفاده مي‌كنند.

آيا پرتو ايكس مضر است؟

پرتوهاي ايكس براي دنياي پزشكي جالب هستند. بدون نياز به عمل جراحي مي‌توانند داخل بدن را ببينند. روش بسيار ساده‌تر و امين‌تري نسبت به عمل باز هستند. ولي پرتوهاي ايكس ممكن است مضر هم باشند. در روزهاي اول علم پرتو ايكس بيشتر پزشكان بيماران را د ر زمان‌هاي طولاني تحت تابش قرار مي‌دادند. به تدريج بيماران و پزشكان دچار بيماريهاي ناشي از تابش مي‌شدند و جامعه‌ي پزشكي مي‌دانست چيزي غلط است.

مشكل اين است كه پرتو ايكس از تابش يونيزه تشكيل شده است. وقتي نور معمولي به اتم‌ها برخورد مي‌كند،‌ اتم را دچار تغييراتي نمي‌كند. ولي وقتي پرتو ايكس به اتم برخورد مي‌كند،‌ مي‌تواند الكترون‌ها را حركت داده و يون توليد كند. الكترون‌هاي آزاد وقتي به اتم‌ها برخورد مي‌كنند يون‌هاي بيشتري توليد مي‌كنند.

بار الكتريكي يك يون دورن سلول‌ها مي‌تواند باعث رفتارهاي غيرطبيعي شود. بار مي‌تواند DNA را بشكند. يك سلول با DNA شكسته شده يا مي‌ميرد يا دچار جهش ناگهاني مي‌شود. اگر تعداد سلول‌هاي مرده زياد باشد بدن ممكن است بيماري‌هاي متعددي را در خودش گسترش دهد. اگر DNA جهش پيدا كند، سلول سرطاني مي‌شود و اين سلول‌ها قابليت گسترش دارند. اگر اين جهش در اسپرم يا سلول‌هاي بنيادي صورت گيرد، روي توليد مثل تاثير مي‌گذارد. چون‌ همه‌ي اين خطرات وجود دارد، امروزهع پزشكان پرتوهاي ايكس را خيلي كم استفاده مي‌كنند.

حتي با وجود اين خطرها،‌اسكن پرتو ايكس همچنان امين‌تر از جراحي است. اين روش به‌واقع يكي از مفيد‌ترين اختراعات بوده است.

 

بر اي درك اين فناوري بايد كمي درباره‌ي ترموديناميك بدانيم كه قوانين گرما در اين حيطه از فيزيك قرار دارد. اگرچه كلمه‌ي شايد اين كلمه ساده به نظر ترسناك برسد ولي همه ما هر روز با ترموديناميك در ارتباط هستيم و آن را حس مي‌كنيم. مثلاً ميدانيم كه اگر يك فنجان قهوه را در فريزر قرار دهيم، كمي طول نمي‌كشد كه سرد خواهد شد. علت آن انتقال گرما از جاي گرم به سرد است. گرما از قهوه گرم به هواي سرد فريزر منتقل مي‌شود و آنقدر ادامه پيدا مي‌كند كه قهوه با محيط همدما شود.

عبارت فناوري گرمايي شايد براي بسياري گيج‌كننده باشد زيرا خيلي كم مردم از آن استفاده مي‌‌كنند. عموماً وقتي مردم از اين عبارت استفاده مي‌‌كنند، منظورشان اين‌ است كه چيزي داريم كه مي‌خواهيم آن را گرم كنيم. مثلاً برخي از اين جمله اين‌ عبارت براي كنترل دماي هوا استفاده مي‌‌كنند (مثل دماي اتاق يا گلخانه يا محيط هر نوع محيط داخلي ديگري). چون‌كه گرما همواره از جاي گرم به سرد مي‌رود، خيلي سخت است كه به شكل ديگري آن را كنترل كرد. در واقع بنا به قوانين ترموديناميك غيرممكن است. بااين حال واحدهاي تهويه هوا از حركت سيالات خاص طوري استفاده مي‌كنند كه در اين قوانين بتوان اتاق را سردتر كرد (مطلب كولرها را بخوانيد).

برخي از دستگاه‌هاي الكترونيك مثل ماشين‌هاي فكس گرمايي هم از اين فناوري استفاده مي‌كنند. اين ابزارها از گرما براي كارشان استفاده مي‌كنند كه كمي خلاف رفتار ترموديناميكي است. در ماشين فكس گرمايي گرما از الكتريسيته‌ي هد پرينت استفاده توليد مي‌شود. سپس اين گرما كاغذ يا رول پرينت فكس منتقل مي‌شود. با اين روش اصلاً نيازي به جوهر نيست!

تبديل گرما به انرژي قابل استفاده سخت است ولي پيشرفت‌هايي كه در زمينه فناوري گرمايي انجام شده اين كار را نسبت به قبل ساده‌تر كرده است. شايد جالب‌ترين كاربرد اين فناوري استفاده از گرماي خورشيد در توليد برق باشد. در مطلب بعدي به راه‌كارهاي آينده براي اين نوع تبديل انرژي اشاره مي‌كنيم. 

 حنجره

ديافراگم هوا را از ريه بخش پرده‌ي صوتي به‌سمت بالا هل مي‌دهد، توليد تپ‌هاي توده‌هاي هواي متناوب مي‌كند. اين زنجيره‌ي تپ‌ها را تناوب در دستگاه صوتي ايجاد مي‌كند. تشديدهاي اصلي را توليد صدا مي‌ناميم كه با عملکرد آرتيكولاتور صداهاي قابل تشخيص براي ما توليد مي‌كند.

پرده‌ي صوتي

در صداي مردان،‌ پرده‌هاي صوتي معمولاً بين 17-23 ميلي‌متر و در زنان 12.5 تا 17 ميلي‌متر طول دارند. اين پرده‌ها تا 3 يا 4 ميلي‌متر هم كشيده مي‌شوند. صداي مردان در حال صحبت حدود 125 هرتز و زنان 210 هرتز و بچه ها 300 هرتز است. تصوير زير حدود گام‌هاي پيانو معادل با صداي انسان را نشان مي‌دهد (A4=440 Hz).

بخش جلويي انتهاي پرده‌هاي صوتي به غضروف تيروئيد متصل است كه به سيبِ آدم معروف است. بخش پُشتي انتهايي به غضروف آرتنوئيد متصل است كه براي تنفس از هم جدا مي‌شوند. 

 پرده‌هاي صوتي

فرايند تبديل فشار هوا از حلق به ارتعاشات قابل شنيدن توليد ‌صدا ناميده مي‌شود. وقتي هوا از پرده‌هاي صوتي قابل ارتعاش مي‌گذرد و باعث ارتعاش آن‌ها مي‌شود،‌اين نوع توليد صدا را صدا مي‌نامند. پرده‌هاي‌صوتيِ يك خواننده بخش گسترده‌اي از صداي توليد شده را در برمي‌گيرد. وقتي پرده‌هاي صوتي قابل توصيف‌تر هستند بجاي تارهاي صوتي و البته صحيح‌تر، خيلي ساده مي‌توانيم از تارهاي مرتعش براي توليد صدا بجاي پرده صوتي كه وابسته به جرم،‌ طول و كشش پرده‌هاي صوتي هستند استفاده كرد.

برانگيخته شدن پرده‌هاي صوتي خيلي با ريسمان تفاوت دارد باهوايي كه از پرده‌هاي صوتي موقع باز شدن دو غضروف مي‌گذرد. ماهيچه‌هاي حنجره كشساني و كشش پرده‌هاي صوتي را زير و بمي صدا را تعيين مي‌كنند.

تحريك پرده‌هاي صوتي

چرخه ارتعاش پرده‌هاي صوتي ناشي از پديده‌ي آيروديناميكي است. وقتي هوا از حلق عبور مي‌كند، پرده‌هاي باز را كنترل كرده و اثر برنولي فاز بسته شدن را كنترل مي‌كند. وقتي بالاي پرده‌ها باز مي‌شود، فشار بخار شروع به باز كردن بخش پاييني مي‌كند. سپس ارتعاش شبيه يك موج از پايين به بالاي پرده‌هاي صوتي حركت مي‌كند. هر ارتعاش اجازه‌ي يك فوت يا توده بخار را در فركانس باز بودن از پرده مي‌دهد. اين فرايند توليد ناميده مي‌شود.

شدت صدا با افزايش هواي جاري در ناي و افزايش تشديد پرده‌هاي صوتي افزايش مي يابد. پرده‌هاي صوتي توده بخار بيشتري را عبور مي‌دهند و چرخه‌ي طولاني‌تري دارند. اين افزايش، باعث افزايش دامنه فشار صوت توليد را مي‌كند. حالا اگر بخواهيم كلمات را ادا كنيم بايد از نظريه‌اي بنام نظريه‌ي ميوالاستيك آيروديناميك بايد استفاد كنيم. 

دانشمندان مدت طولاني است كه مي‌دانند باريكه‌ي نور خورشيد مقدار زيادي انرژي به‌صورت نور و گرما به زمين منتقل مي‌كند. بااين حال استفاده از اين روش و تبديل آن به برق قابل استفاده، يك چالش بوده است. مثلاً صفحات (پنل‌هاي) فوتوولتاژي مي‌توانند نور خورشيد را به برق تبديل كرده و منازل و ساختمان‌ها را تأمين كند ولي همچنان اين روش از نظر اقتصادي به‌صرفه نيست.

برخي بر اين باورند كه فناوري گرما خورشيدي بازهم ارزان، تميز و تجديدپذير است. ازجاييكه كه سوخت‌هاي فسيلي شرايط اقليمي را تغيير مي‌دهند و گران‌تر مي‌شوند، روش گرما خورشيدي واقعاً‌ تميز و ارزان است. با تبديل گرماي خورشيد به برق قابل استفاده،‌ اين روش به بي‌نياز شدن كشورها از سوخت‌هاي فسيلي كمك مي‌كند.

برق گرماخورشيدي انرژي خورشيدي را مستقيماً به برق تبديل نمي‌كند. دقيقاً همين‌جاست كه انرژي خورشيد با گرماخورشيدي تفاوت اندكي دارد. دراين روش آب گرم شده و بخار مي‌شود و درست مثل سوخت‌هاي فسيلي اين بخار توربين‌ را براي توليد برق در مولدها به ‌كار مي‌اندازد.

چند نوع دستگاه خورشيدي كه مي‌توانند برق توليد كنند:‌

1.      برج خورشيدي:‌ با صفحات خورشيدي احاطه شده كه آينه‌هايي هستند كه خورشيد را دنبال مي‌كنند و برق در برج جمع‌آوري مي‌شود. گيرندهي مركزي دربالاي برج نور انرژي را دريافت و گرما را در مايع نمكي مخصوصي نگه ‌مي‌دارند كه از برج به مولدهاي بخار مي‌رود.

2.      گودي‌هاي سهموي: اين نوع سيستم از سهمي بودن آينه براي افزايش شدت دريافتي و جمع آوري نور بيشتر استفاده مي‌كند و مهم هم نيست چه موقعي از روز باشد. لوله‌ها با مايعي پر شده‌اند كه در اين سيستم در جريان هستند. موقعي كه مايع در جريان است، با انرژي دريافتي گرم مي‌شود. سپس سيال گرمايش را به آب منتقل مي‌كند كه تبديل به بخار مي‌شود. نكته‌ي خاص در مورد اين سيال اين است كه روغن مي‌تواند به دماي 750 درجه فارنهايت (400درجه سلسيوس)‌ برسد. نمك مذاب مي‌تواند گرماي اضافه را زماني كه خورشيد در آسمان نيست، نگه دارد.

3.      بازتابي فرنل: در يان مكانيسم بجاي سيال گرم آب مستقيماً‌ گرم مي‌شود. اينكار را با افزايش فشار جو مي‌توان انجام داد. اين بخار توان توربين را فراهم ميكند.

4.      ديش خورشيدي: اين ديش‌ها با حركت خورشيد حركت مي‌كنند. با استفاده از آينه‌هايي نور به نقطه كانوني منعكس شده و تبديل به گرما مي‌‌شود و در فرانيد مكانيكي به گرما تبديل مي‌شود.

از سريال بازگشت به آينده يكي از سريالهاي معروف علمي- تخيلي با فناوري پادگرانش آشنا هستيم. در دنياي واقعي و تحقيقات علمي آزمايشگاه‌هاي مختلف و از نسبيت عام نام پادگرانش چندان جذاب به نظر نمي‌رسد.

بدون شك بخاطر داريد كه گرانش نيروي جاذبه است (دستكم تا الان مي‌دانيم). همين جاذبه است كه شما را روي سياره نگه داشته و زمين را در مدارش دو ر خورشيد. فناوري پادگرانش در مأموريت‌هاي فضايي و توليد انرژي انقلابي است. در وقاع تلنگُري به حوزه انرژي  در صنعت سفر و حمل و نقل است. با اين حال ابتدا بايد به درك خودمان از فيزيك هم تلنگري بزنيم و بدانيم چگونه اين نيروي قوي به نسبت ابعادش را در نظر بگيريم. هيچ حيله‌اي هم در نظريه نياز نداريم.

مثلاً در سال 1992 فيزيكدان روس، اوگني پودگلنتوف اعدا كرد كه موفق شده در آزمايش خود ابزاري را تست كند كه سپري  براي معلق ساختن اجسام و جلوي گرانش را گرفته است. آزماتيش در واقع معلق سازي يك قرص ابررسانا بالاي آهنربا بود. هيچكس حتي ناسا تا دو دهه قادر به تكرار اين آزمايش نبودند. درسال 2002 تحقيقي در باره‌ي پژوهش‌هاي ارتش نازي د رمورد پروژه پادگرانش انجام داد كه به شكست انجاميده بود.

شايد در اولين نگاه كلمه‌ي پادگرانش يك تابو به نظر برسد، يا مثلاً ياد پروژه ناسا بين سالهاي 1996 تا 2002 بيفتيد در اين مورد. ناسا هرگز جزييات اين پروژه را اعلام نكرد كه ميتوانست به محققين آماتور و حرفه‌اي كمك كند تا ايده‌هاي خودشان را پياده كنند كه شامل ماشين‌هايي ميشد كه كساني كه روي آنها كار مي‌كردند تصورشان اين بود كه پادگرانش توليد كرده‌اند.

توجه كنيد كه ايجاد گرانش صفر در هواپيما ارتباطي به پادگرانش ندارد. و به همين ترتيب تعليق با استفاده از اثر كازيمير كه يك نيروي كوانتمي كه اساساً باعث چسبندگي دو جسم بهم مي‌شود هم نيست. از طرف ديگر پادگرانش كم كردن اثر كشش گرانشي است كه هنوز علم به اين مرحله نرسيده كه بتواند چنين اثري را ايجاد كند.

بيشتر محققين براين باور هستند كه پادگرانش ممكن نيست اتفاق بيفتد. اين را از آنچه تاكنون در طبيعت درك كرده‌ايم مي‌دانيم. بنابراين در اين مرحله تمام آن ايده ها و تخيلات علمي در مورد اين اثر، در حوزه داستان‌هاي علمي- تخيلي باقي مي‌ماند.

جرم منفي

در نسبيت عام اين موضوع مطرح شده بود و بزرگاني چون «سِر هرمن باندي» در سال 1957 جرم گرانشي منفي را مطرح كرد. طبق اين فرصيه جهت اثر نيروي گرانش برعكس جرم مثبت است. يعني دافعه. در سال 1988 رابرت فوروارد در مقاله‌اي سيستم پيشرانش جرم گرانشي باندي را پيشنهاد كرد.