از فرمول 1 تا گاراژ شما: چگونه نوآوری‌های موتوراسپورت شکل‌دهندگان آینده خودروها هستند
فرمول 1، اوج مسابقات موتوراسپورت، پیوسته در جستجوی نوآوری برای دستیابی به خودروهای مسابقه‌ای سریع‌تر و کارآمدتر به پیش می‌رود.
پیشرفت‌هایی که در فرمول 1 مشاهده شده‌اند، راهی به طراحی خودروهای مصرفی پیدا کرده‌اند. موتورهای هیبریدی و سیستم‌های بازیافت انرژی جنبشی (KERS) نمونه‌هایی از فناوری‌هایی هستند که در فرمول 1 پیشگام شده‌اند.
سال 2026 نویدبخش عصری جدید از نوآوری خواهد بود که به واسطه تغییرات قانونی در فرمول 1 رخ خواهد داد. این تغییرات بر یک واحد قدرت جدید با تمرکز بر افزایش قدرت باتری و استفاده 100 درصد از سوخت‌های پایدار تمرکز دارند، با هدف ارائه عملکرد بیشتر در حالی که به مسائل پایداری پاسخ می‌دهند. این تغییر نگرانی مهمی را مطرح می‌کند: این نوآوری‌ها چگونه بر خودروهای مصرفی و اهداف کلی پایداری صنعت خودرو تاثیر خواهند گذاشت؟
برای درک عمیق‌تر از این نوآوری‌ها، اد برناردون ، مشاور فناوری موتوراسپورت و معاون سابق موتوراسپورت در شرکت زیمنس، نقش حیاتی فرمول 1 را در پیشبرد فناوری خودرو برجسته کرد. او به Interesting Engineering گفت: «فرمول 1 همواره در لبه پیشرفت خودرو بوده است و بسیاری از دستاوردهای آن سرانجام در خودروهای مصرفی بکار رفته‌اند.»
او افزود: «نوآوری‌های اخیر در واحدهای قدرت هیبریدی، سیستم‌های بازیافت انرژی و بهبود آیرودینامیک و مواد، منجر به توسعه خودروهای جاده‌ای کارآمدتر و پایدارتر شده است.»
بیایید با نگاهی به سوخت‌های پایدار شروع کنیم.
تغییر به سوخت‌های پایدار
سوخت‌های فسیلی بیش از صد سال است که منبع اصلی سوخت در خودروهای جاده‌ای و مسابقه‌ای بوده‌اند. این چیرگی پس از ساخت اولین خودروی کارل بنز، به نام بنز پتنت-موتورواگن، آغاز شد.
امروز ماشین‌های فرمول 1 از مخلوطی از سوخت‌ها، از جمله E10 استفاده می‌کنند، بنزین بدون سرب که شامل 10 درصد اتانول تجدیدپذیر و 90 درصد بنزین مبتنی بر سوخت فسیلی است. با این حال، مقدار سوخت تجدیدپذیر تنها 10 درصد است.
حتی در خودروهای مصرفی، بنزین مشتق شده از سوخت فسیلی همچنان منبع اصلی سوخت در ایالات متحده است. وزارت انرژی ایالات متحده نشان می‌دهد که خودروهای بنزینی به طور تخمینی سالانه 5.19 تن متریک (یا 5,190 کیلوگرم) دی‌اکسید کربن منتشر می‌کنند.
در مقایسه، خودروهای هیبریدی 2.84 تن متریک (2,840 کیلوگرم) دی‌اکسید کربن منتشر می‌کنند، در حالی که خودروهای کاملاً الکتریکی تنها 1.78 تن متریک (1,780 کیلوگرم) دی‌اکسید کربن منتشر می‌کنند.
تغییر به پایداری
تصمیم فیا (نهاد حاکم بر فرمول 1) برای تغییر به سوخت‌های پایدار از سال 2026 یک گام مهم است.
سوخت‌های پایدار قرار است از سال 2026 در فرمول 1 به کار گرفته شوند و سوخت‌های «رها» خواهند بود، یعنی می‌توانند با تغییرات کمتری در موتورهای خودروی موجود استفاده شوند.
به گفته برناردون، این انتقال باعث افزایش قدرت تولید شده از سیستم‌های برق و بازیافت انرژی خواهد شد، با افزایش سهم توان الکتریکی از 15 درصد در سال 2022 به 50 درصد تا سال 2026.
او اضافه کرد، «علیرغم این تغییرات، قدرت کلی واحدهای قدرت جاری و 2026 به طور تقریبی برابر حدود 1000 اسب بخار باقی خواهد ماند بنابراین عملکرد کلی نباید تغییر کند.»
«این توزیع جدید قدرت ممکن است نحوه استفاده رانندگان از قدرت در طول مسابقه را تغییر دهد، بسته به اینکه از کجا استفاده کنند و چه زمانی از انرژی بازیافتی برای افزایش قدرت استفاده می‌شود.»
فناوری سوخت‌های پایدار از زیست‌توده‌های غیر غذایی، ضایعات شهری یا مستقیماً از جو استخراج خواهد شد. این روش همراه با تغییرات کم در طراحی موتور، می‌تواند به توسعه سوخت پایدار رها برای خودروهای مصرفی کمک کند.
واحدهای قدرت هیبریدی
موتورهای هیبریدی در صنعت خودرو از یک واحد قدرت بهره می‌برند که از دو منبع انرژی می‌گیرد: یک موتور احتراق داخلی (ICE) سنتی و یک موتور الکتریکی.
ICEها از سوخت‌های فسیلی استفاده می‌کنند تا بیشتر نیاز برق خودرو را تأمین کنند. بخش الکتریکی عملکرد خودرو را افزایش داده و صرفه‌جویی در سوخت و کاهش انتشار آلاینده‌ها را نسبت به واحدهای قدرت سنتی بهبود می‌بخشد. باتری موتور الکتریکی را تغذیه می‌کند.
در بیشتر خودروهای هیبریدی، منبع اصلی قدرت موتور احتراق داخلی (ICE) است، در حالی که باتری الکتریکی در طول عملکرد موتور شارژ می‌شود و امکان استفاده مجدد را فراهم می‌آورد.
موتور الکتریکی نقش بیشتری در سرعت‌های پایین ایفا می‌کند و می‌تواند از طریق ترمز بازگشتی که به فناوری مورد استفاده در خودروهای فرمول 1 شباهت دارد، شارژ شود.
افزایش قدرت الکتریکی
از سال 2022، خودروهای فرمول 1 از یک واحد قدرت هیبریدی استفاده می‌کنند که از قدرت الکتریکی برای افزایش سرعت در مواقع نیاز با استفاده از KERS بهره می‌برد. این یکی از موارد نادر است که نوآوری ابتدا در خودروهای مصرفی به وجود آمد و سپس به مسابقات فرمول 1 راه یافت.
برناردون توضیح داد، «اگرچه فرمول 1 در توسعه اولیه هیبریدی در صدر نبود، اما معرفی KERS در سال 2009 یک گام مهم بود. در سال‌های بعد، پیشرفت‌ها در فرمول 1 در نهایت به بهبود فناوری خودروهای جاده‌ای منجر شد.»
او به سیستم KERS فرمول 1 مرسدس اشاره کرد که در سال 2007 معرفی شد. این سیستم 107 کیلوگرم وزن داشت و 39 درصد کارایی داشت. در عرض دو سال، وزن آن به 25.3 کیلوگرم و کارایی به 70 درصد کاهش یافت. این توسعه در فرمول 1 منجر به تولید AMG SLS Electric Drive شد.
بر اساس بیانیه FIA، موتورهای هیبریدی جدید 2026 بر کاهش خروجی از ICE تمرکز خواهند کرد و بر افزایش خروجی قدرت الکتریکی تمرکز بیشتری خواهند نمود.
با توجه به اینکه قوانین سال 2026 دافع استفاده بازیافت انرژی به 50 درصد را پیش می‌برند، می‌توانیم انتظار پیشرفت‌های بیشتری در فناوری هیبریدی داشته باشیم که برای کاربردهای تجاری سودمند خواهد بود.
با بازگشت تولیدکنندگان جدید موتور مانند آئودی و هوندا به فرمول 1، نوآوری در واحدهای قدرت هیبریدی می‌تواند شانس نوآوری‌های بعدی را که به خودروهای مصرفی منتقل می‌شود افزایش دهد.
آیرودینامیک فعال
در تمام بحث ما، ما بر چندین نوآوری در خودروهای فرمول 1 تأکید کرده‌ایم. با این حال، برجسته‌ترین و به راحتی قابل مشاهده‌ترین نمونه از این پیشرفت‌ها، آیرودینامیک فعال است.
وقتی نیاز به خنک‌سازی بیشتری باشد، در سرعت بالا، گریل باز می‌شود تا هوا بتواند برای خنک کردن موتور عبور کند. امروز خودروهای فرمول 1 با عناصری مانند سیستم کاهش دراگ (DRS) طراحی شده‌اند که به آن‌ها کمک می‌کند در شرایط متغیر جریان هوا بهتر عمل کنند.
با فشار یک دکمه، راننده می‌تواند از DRS برای کاهش دراگ (یا مقاومتی) که خودرو در سرعت‌های بالا تجربه می‌کند استفاده کند و سرعت خودرو را افزایش دهد.
چسبندگی بهتر و سرعت‌های بیشتر
قوانین جدید پیشنهاد می‌دهند که بال‌های عقب و جلو خودرو زاویه حمله (زاویه بین بال و زمین) خود را در زمان واقعی در طول مسابقه بر اساس درگ و نیروی پایین (یا چسبندگی) در گوشه‌ها تنظیم کنند.
برناردون توضیح داد، «خودروهای فرمول 1 سال 2026 قادر خواهند بود با تغییر تنظیمات بال‌ها، بین دو حالت جابجا شوند، یکی برای بهبود عملکرد خط مستقیم با درگ کمتر و دومی برای بهبود عملکرد گوشه‌ای با نیروی پایین بیشتر.»
«افزایش نیروی پایین در گوشه‌ها سرعت‌های دورگردی را افزایش خواهد داد، در حالی که کاهش درگ خط مستقیم سرعت خط مستقیم را افزایش می‌دهد.»
در حالی که این آیرودینامیک‌ها برای خودروهایی که با سرعت 233 مایل بر ساعت یا 374.97 کیلومتر بر ساعت حرکت می‌کنند بیشتر خاص است، برخی خودروهای مصرفی نیز از آیرودینامیک فعال برای بهبود کارایی خودرو بهره می‌برند.
به عنوان مثال، برخی مدلهای فورد دارای جلو پنجره‌های فعال هستند که بر اساس نیازهای خنک‌سازی موتور و سیستم‌های دیگر خودرو تنظیم می‌شوند. با افزایش سرعت خودرو و افزایش نیازهای خنک‌سازی، جلوپنجره باز می‌شود تا جریان هوا بتواند موتور را به طور کارآمدتر خنک کند.
به همین ترتیب، Audi TT از بال‌ها یا اسپویلرهای عقب چند موقعیتی استفاده می‌کند که برای تولید نیروی پایین گسترش می‌یابند، چرخ‌های عقب را به جاده فشرده کرده و پایداری و چسبندگی را در سرعت‌های بالا بهبود می‌بخشند، به راننده کنترل و اعتماد بیشتری می‌دهند.
ایمنی در اولویت
ماشین‌های فرمول 1 باید الزامات وزنی مشخصی را که توسط FIA تعیین شده‌اند برآورده کنند تا با مقررات مطابقت داشته و عملکرد بهینه خود را در مسابقه حفظ کنند. این محدودیت‌های وزنی کمک می‌کنند تا ماشین‌ها رقابتی و سریع باقی بمانند. از دهه 1980، فیبر کربن برای اجزای مختلف خودروهای فرمول 1 از جمله شاسی (یا هاله)، بال‌های جلو و عقب، و کف خودرو استفاده شده است.
فیبر کربن از زنجیره‌های به شدت به هم پیوسته اتم‌های کربن تشکیل شده است، و ماده‌ای را ایجاد می‌کند که هم بسیار قوی و هم سبک است.
این ترکیب منحصر به فرد به خودرو اجازه می‌دهد تا به سرعت‌های بالا دست یابد، در حالی که ایمنی بهبودیافته‌ای را برای رانندگان و دوام چشمگیری ارائه می‌دهد. قدرت آن را قادر می‌سازد تا نیروها و دماهای شدید را که در طول مسابقات تجربه می‌شود تحمل کند.
علاوه بر این، فیبر کربن ماده‌ای انعطاف‌پذیر است، که با طراحی آیرودینامیک ماشین‌های فرمول 1 هماهنگ می‌شود.
علیرغم مزایای آن، فیبر کربن به طور گسترده در خودروهای مصرفی یافت نمی‌شود. اگرچه دارای خواص مفید بسیاری است، اما به مراتب گران‌تر از فولاد و آلومینیوم است.
برخی خودروهای لوکس مانند BMW، مک‌لارن، و فراری‌ها از فیبر کربن در پانل‌های بدنه برای کاهش وزن و افزایش عملکرد استفاده می‌کنند.
این ورزش تدابیر گسترده‌ای برای حفاظت از رانندگان اتخاذ کرده است، از جمله نوآوری‌هایی در طراحی کلاه ایمنی، لباس‌های ضد آتش، و استفاده از سنسورهای پیشرفته در دستکش‌های مسابقه‌ای.
برناردون معتقد است که این عناصر می‌توانند برای آزمایش و بهبود ایمنی خودروهای مصرفی استفاده شوند.
او توضیح داد، «هاله‌ای که در سال 2018 معرفی شده، سازه‌ای از تیانیوم است که رانندگان را در برابر آسیب‌های ناشی از برخورد سر با آوار یا تصادفات محافظت می‌کند. اگرچه مستقیماً قابل استفاده در خودروهای مصرفی نیست، اصول طراحی و تکنیک‌های استفاده شده در هاله می‌توانند سقف‌ها را تقویت کرده و حفاظت از برخورد جانبی در خودروهای مصرفی را بهبود بخشند.»
راه پیش رو
اهداف پایداری صنعت حمل و نقل با هدف فرمول 1 برای رسیدن به حالت خالص صفر تا سال 2030 همگام است، بنابراین نوآوری‌های فرمول 1 می‌تواند تأثیر قابل توجهی بر خودروهای مصرفی داشته باشد.
«در گذشته، صنعت خودروهای تجاری به طور قابل توجهی از نوآوری‌های پیست مسابقه‌ای بهره‌مند شده‌اند. بسیاری از ویژگی‌هایی که امروز به راحتی می‌پذیریم، به ویژه آن‌هایی که به ایمنی مربوط می‌شوند، ریشه در موتوراسپورت دارند.»
«مثلاً آیینه دید عقب که ابتدا توسط برنده اولین مسابقه ایندی 500 در سال 1911 استفاده شد و کمربندهای ایمنی که در مسابقات دهه 1930 به کار رفتند،» برناردون گفت.
تیم‌های فرمول 1 اکنون مسیرهای متعددی را برای یافتن راه‌حل‌های سوخت بهینه که با مقررات جدید همخوانی دارند بررسی خواهند کرد. این دانش می‌تواند بعداً برای بهبود خودروهای مصرفی به کار گرفته شود.
فناوری ذخیره‌سازی کربن یکی از مسیرهای امیدوارکننده است. اگرچه این فناوری هنوز در مراحل اولیه توسعه است و هزینه‌های آن به مراتب بالاتر از گزینه‌های سوخت فسیلی است. با این حال، اگر این فرآیند مقرون به صرفه‌تر شود، تحقیقات نشان می‌دهند که این دی‌اکسید کربن به دام افتاده می‌تواند برای تولید سوخت پایدار استفاده گردد.
با این حال، فرمول 1 در حال حاضر به دنبال بهبود آن است. همانطور که برناردون توضیح داد، «آرامکو، تامین‌کننده سوخت فرمول 1، در حال سرمایه‌گذاری در کاهش هزینه‌های جذب کربن و سوخت‌های الکترونیکی به سطوح معقول‌تر است که در نهایت به برنامه‌های کاربردی تجاری عملی سود خواهند رساند.»
فراتر از فرمول 1، نوآوری در سری فرمول E (که بر خودروهای کاملاً الکتریکی متمرکز است) می‌تواند پیشرفت‌هایی در فناوری باتری برای خودروهای الکتریکی مصرفی ایجاد کند. این به ویژه حیاتی است، چرا که مطالعات اخیر نشان می‌دهند که تا سال 2030، خودروهای الکتریکی ممکن است تا 55 درصد پایدارتر از آن‌هایی باشند که از سوخت‌های فسیلی استفاده می‌کنند.
در حالی که تأثیر اولیه قوانین 2026 فرمول 1 بیشترین اهمیت را در موتوراسپورت خواهد داشت، تاریخ نشان داده است که این پیشرفت‌ها به احتمال زیاد تأثیر قابل توجهی بر آینده خودروهای مصرفی خواهند داشت.
