مقدمه:

 همان طور که می دانیم فناوری نانو دربسیاری از زمینه ها به طور گسترده ای وارد شده است. در زمینه ی باتری ها نیز این فناوری در حال رشد است . در این مقاله سعی شده آخرین پیشرفت های صنعت ساخت باتری که از تکنولوژی نانو استفاده شده توضیح داده شود.

تأثیر کوتاه مدت عمده فناوری نانو بر فناوری باتری، از به کارگیری نانوذرات حاصل خواهد شد. آنها بدون تأثیرگذاری فوق العاده بر ظرفیت کل، سرعت شارژ و تخلیه را بهبود می بخشند، نکته ای که در هنگام مقایسه آنها با پیل های سوختی باید به خاطر داشت! با این حال تحقیقات انجام شده روی استفاده از نانولوله ها به جای گرافیت در الکترودها بیانگر توانایی آنها دردو برابر کردن ظرفیت باتری (و حتی بیشتر) است.

بطور کلی دو نوع باتری قابل شارژ که از فناوری نانو در ساختار آن استفاده شده است وبیشتر تحقیقات نیز بر روی این دو گروه است اول باتری های بر پایه لیتیم است برای مثال باتری های یون -لیتیم، دوم باتری های بر پایه هیدریدهای فلزی است . محققان ثابت کرده اند که استفاده از مواد نا نوبلوری و نانولوله ها در این دو نوع باتری باعث افزایش چشمگیری در طول عمر،دانسته جریان و سرعت شارژ شدن آنها شده است . نانولوله ها به عنوان جایگزینی مناسب برای گرافیت معمولی در ساختار الکترود گرافیت -لیتیم در نظر گرفته شده اند . به دلیل کوچک بودن ساختار نانولوله سطح مفید تماس آنها با لیتیم بیشتر از گرانیت معمولی است به طوری که ظرفیت یک لایه نانولوله د ر آزمایشگاه به ۶۴۰ آمپرساعت به کیلوگرم رسیده است . با استفاده از فناوری نانودر ساخت باتری ها در ابتدا میزان شارژ مجدد آنها ۱۰ برابر شد که اکنون با توسعه این فناوری باتری های کنو نی تا ۱۰۰ برابر باتری های قبلی (بدون استفاده از فناوری نانو ) قابلیت شارژ مجدد ر ادارند.

البته باتریهای قابل شارژ بازاری پابرجا دارد- مثل بازار رو به رشد تأمین انرژی وسایل الکترونیکی قابل حمل. سالهاست که عد های منتظر رخنه آنها به بازار خودروسازی اند، اما پیشرفت های اندکی که در این زمینه رخ داده است. پیشرفت در مسایل حاشیه ای ممکن است این مسأله را تغییر دهد. با این حال، از آنجایی که پیل سوختی- به دلایلی از جمله دانسیته انرژی بالاتر- مشتری های باتری ها در بخش وسایل الکترونیکی قابل حمل را به خود جلب کرده است، این امکان وجود دارد که آنها این کار را در بازارهای دیگر نیز انجام دهند.

استفاده از نانو مواد در باتری های لیتیومی:

مواد نانوساختار به دلیل سطح تماس زیاد، تخلخل و. . . بسیار مورد توجه صنعت باتری‌های لیتیومی قرار گرفته‌اند.این مشخصات امکان انجام واکنش‌های فعال جدید، کاهش مسیر انتقال یون‌های لیتیوم، کاهش سرعت جریان سطح ویژه و بهبود پایداری و ظرفیت ویژه باتری‌های جدید را فراهم کرده است. علاوه بر این، مواد نانوکامپوزیتی که برای مسیرهای هادی الکترونی طراحی می‌شوند، می‌توانند مقاومت داخلی باتری‌های لیتیومی را کاهش داده، سبب افزایش ظرفیت ویژه، حتی در سرعت جریان‌های شارژ/ تخلیه بالا شوند.

نانومواد به طور گسترده در علوم زیستی، فناوری اطلاعات، محیط زیست و دیگر زمینه‌های مرتبط استفاده گسترده‌ای دارند. درواقع نانو مواد در باطری های لیتیومی به واسطه الکترودها از توانایی بهبود یافتن تراکم انرژی و قدرت برخوردارند. اخیراً مواد نانوساختار توجه پژوهشگران برای کاربرد در تجهیزات ذخیره انرژی به خصوص در انواعی که سرعت جریان شارژ و تخلیه بالایی دارند، مثل باتری‌های لیتیومی، جلب کرده‌اند. توسعه تجهیزات ذخیره انرژی با توان و دانستیه انرژی بالاتر، کلید موفقیت وسایل نقلیه الکتریکی و الکتریکی هیبریدی (EV وHEV) است و انتظار می‌رود جایگزین حداقل بخشی از وسایل نقلیه امروزی شده، مشکلات آلودگی هوا و تغییرات اقلیمی را رفع کند. این فناوری‌های ذخیره انرژی متکی به علوم مواد جدید هستند که به عنوان نمونه می‌توان از توسعه الکترودهایی نام برد که قابلیت شارژ و تخلیه در سرعت جریان بالا را دارند. درواقع نانو مواد در باطری های لیتیومی به واسطه الکترودها از توانایی بهبود یافتن تراکم انرژی و قدرت برخوردارند

۱٫ واکنش‌های جدید که امکان انجام آنها با مواد توده‌ای وجود ندارد؛

۲٫ مسیر انتقال کوتاه‌تر الکترون‌ها و یون‌های لیتیوم (که امکان عمل در هدایت پایین یون‌های لیتیوم و الکترون‌ها یا در توان‌های بالاتر را فراهم می‌کند) .

۳٫ سطح تماس زیاد الکترود- الکترولیت که منجر به سرعت بیشتر شارژ و تخلیه می‌شود؛

مقدمه:

در گذشته نه چندان دور ، بیشتر تجهیزات پزشکی فاقد سیستم های الکترونیکی و دیجیتالی بودند ولی در حال حاضر تقریباً تمام تجهیزات پزشکی علاوه بر قسمت های مکانیکی ، پنوماتیکی ، هیدرولیکی ، الکتریکی و … حتماً دارای قسمت های الکترونیکی ، حداقل در خروجی (صفحه نمایش و …) یا ورودی (سوئیچینگ پاورهای تغذیه دستگاه و …) است. به عنوان مثال یک ونتیلاتور جزء دستگاه های مکانیکی و الکترومکانیکی با تجهیزات پنوماتیکی طبقه بندی می شد ولی در حال حاضر ، جزء دستگاه های فول الکترونیک ، تمام دیجیتال ، تمام پنوماتیک و … قرار دارد که با این وضعیت ، کوچکترین خطایی در سیستم های الکترونیکی و دیجیتالی ، امکان هرگونه استفاده درست از امکانات آن را غیرممکن می سازد. رشد روز افزون فناوری در تجهیزات پزشکی ، گسترش استفاده از سیستم های دیجیتالی و ابزارهای دقیق و مکانیزه شدن واحدهای درمانی و پزشکی ، اعمال کنترل و مراقبت پیوسته بر سیستم های برق در این مراکز را به یک الزام تبدیل کرده است. این ضرورت مدیریتی برای حفظ سرمایه ، انجام مطمئن عملیات تشخیص و درمان و دستیابی به بهره وری مطلوب است. بنابراین توجه به این نکته که هزینه های ثابت و جاری مربوط به تجهیزات الکتریکی و الکترونیکی پیشرفته پزشکی ، سهم رو به افزایشی از منابع مالی واحدهای تشخیصی ، بهداشتی و درمانی را به خود اختصاص می دهد ، شناخت و مقابله با عوامل کاهش بازدهی ، کاهش عمر مفید ، افزایش خطاها و هزینه های تعمیر و نگهداری تجهیزات پزشکی ، از درجه اهمیت بالایی برخوردار است.
مشکلات موجود در سیستم های برق علاوه بر این که در عملکرد ، دقت ، کارآیی و عمر مفید تجهیزات تأثیر نامطلوبی بر جای می گذارد ، باعث تحمیل هزینه های گزاف دیگری از جمله هزینه تعمیرات اتفاقی ، هزینه های مرتبط با زمان خواب تجهیزات و خسارات ناشی از لغو گارانتی خواهد شد.

خصوصیات برق سالم در یک بیمارستان:
برق سالم مجاز برای استفاده در مصارف حساس باید دارای سه خصوصیت زیر باشد:
– ولتاژ سالم و تمیز (Clean)
– ولتاژ تثبیت شده (Stable)
– ولتاژ پایدار و پیوسته (Continuous)

با توجه به خصوصیات طبیعی شبکه برق سراسری کشور در خصوص تأمین برق ، امکان بهره برداری از برق مناسب برای کلیه تجهیزات الکتریکی در تمام زمان هایی که نیاز آن وجود دارد ، از طریق برق شهر میسر نیست. لذا مصرف کننده ها با توجه به اهمیت کاربری هرکدام از تجهیزات الکتریکی مورد استفاده ، باید یکی از تجهیزات پشتیبان برق از جمله دیزل ژنراتور ، استابلایزر ولتاژ و یا ترانس ایزوله را استفاده کنند. در قسمت های بعدی این سری مقالات به این موارد پرداخته خواهد شد. با توجه به اینکه تأمین یک حاشیه ایمن عملیاتی مستلزم پیش نیازهایی است که در حیطه وظایف مسئولان تجهیزات پزشکی مرکز درمانی نیست ، موارد زیر به عنوان پیش فرض های انجام شده توسط سایر واحدهای مرتبط مرکز درمانی (مدیریت ، تأسیسات و …) در نظر گرفته می شود:

توان کافی: تأمین یک انشعاب اصلی دارای مجموع قدرت یا آمپر لازم برای مصارف مراکز درمانی با در نظر گرفتن حداقل ۲۰% ضریب اطمینان.
تابلو برق استاندارد: استقرار تابلوهای برق اصلی و فرعی با کلیه ملزومات ، شامل کلیدهای قدرت اصلی و فرعی ، نشانگرهای جریان و ولتاژ ، شینه های مناسب با جریان مصرفی ، عایق بندی مناسب ، ارت و نول استاندارد ، سیم بندی و کابل کشی استاندارد ، تفکیک مصارف تابلوهای فرعی و بخش ها با استفاده از کلیدها و فیوزهای متناسب با مصرف ، ایزولاسیون و تهویه متناسب ، کانال های استاندارد برای انتقال سیم و کابل ، نقشه و پلاک و علائم مناسب ، امکان دسترسی و توسعه آتی.
تابلوی خازن برای اصلاح ضریب قدرت: اسقرار تابلوی بانک خازنی متناسب با مصرف (با توجه به عوارض منفی وجود بار رِاکتیو (Reactive) در شبکه برق کشوری از جمله بالا رفتن جریان ، کاهش ولتاژ ، افزایش تلفات مسی و عوارض اقتصادی و همچنین افزایش هزینه برق مصرفی برای مصرف کننده ، لزوم طراحی و نصب تابلوی بانک خازنی متناسب با مصرف بسیار اهمیت دارد).
چاه ارت مناسب: وجود چاه یا چاه های ارت مناسب و ارت کشی برای کلیه تجهیزات به صورت استاندارد (به دلیل مسائل ایمنی فنی و حفاظت های لازم حیاتی برای بیماران و پرسنل مراکز درمانی و لزوم حذف نویزهای ناخواسته ، ایجاد ارت مناسب جزء ضروریات کلیه مراکز درمانی و تشخیصی است که توضیحات آن در ادامه آمده است).
توزیع مطلوب: تأمین برق مناسب ، در پای کار (محل مصرف) با استفاده از شبکه توزیع استاندارد شامل سیم کشی و کابل بندی و اتصالات مناسب (سیم کشی مراکز درمانی از نوع ۵ سیمه شامل ارت ، نول و فازهای R ، T و S است که نول و ارت بر خلاف مراکز صنعتی در هیچ جایی از تابلوهای اصلی و فرعی به هم اتصال داده نشده اند).

الزامات برق بیمارستانی به شرح زیر می باشند:
– اتصال زمین (ارت)
– برق اضطراری (دیزل ژنراتور)
– برق سالم (استابلایزر)
– برق پشتیبان (UPS)
– ایزولاسیون (ترانس ایزوله)
در این مقاله به مورد اول یعنی اتصال زمین (اِرت) خواهیم پرداخت.

اتصال زمین (ارت)
وجود ارت در مراکز درمانی جزء الزامات اساسی است. استانداردی که در این خصوص وجود دارد به دلیل تماس و ارتباط الکتریکی تجهیزات پزشکی با بدن بیماران کاملاً با استاندارد مراکز صنعتی تفاوت دارد.
وجود ارت مناسب و اتصال به زمین بدنه تجهیزات در مراکز درمانی علاوه بر حفاظت الکتریکی پرسنل و بیماران و مراجعان در مقابل جریان های نشتی ، پارازیت ها و نویزهای ناشی از خود بیمار ، تخت ها و تجهیزات اطراف بیمار را نیز که از طریق امواج الکترومغناطیسی موجود در فضا (موبایل ، تلوزیون و …) القاء می شوند ، از بین می برد.

الزامات مربوط به ارت
با توجه به مقاومت مخصوص زمین ، عمق چاه از حداقل ۲ متر تا ۸ متر و قطر آن حدود ۸۰ سانتیمتر یا کمتر می تواند باشد. در زمین هایی که با توجه به نوع خاک دارای مقاومت مخصوص کمتری است ، مانند خاک های کشاورزی و رسی ، عمق مورد نیاز برای حفاری کمتر بوده و در زمین های شنی و سنگلاخی که دارای مقاومت مخصوص بالاتری است ، نیاز به حفر چاه با عمق بیشتر است. برای اندازه گیری مقاومت مخصوص خاک از دستگاه های خاص استفاده می شود. در صورتی که تا عمق ۲-۴ متر به رطوبت نرسیدیم و احتمال بدهیم در عمق بیشتر از ۶ متر به رطوبت نخواهیم رسید ، نیازی نیست چاه را بیشتر از ۶ متر حفر کنیم. محدوده مقاومت مخصوص چند نوع خاک در جدول زیر نوشته شده است.
کلیه بخش های درمانی ، تشخیصی و کلیه قسمت هایی که دارای تجهیزات پزشکی هستند ، باید مجهز به سیستم ارت باشند.
تعداد چاه ارت می بایست متناسب با حجم تجهیزات مرکز درمانی (میزان آمپر مصرفی) باشد. (دستگاه های پرمصرف مانند آنژیوگرافی بایستی دارای چاه ارت مستقل در نزدیکی تابلوی اصلی توزیع برق خودش باشد.)
چاه ارت را باید در جاهایی که پایین ترین سطح را داشته و احتمال دسترسی به رطوبت حتی الامکان در عمق کمتری وجود داشته باشد ، حفر کرد.
محل چاه ارت اصلی مرکز بایستی در نزدیکی محل تابلوی اصلی توزیع برق آن باشد. نباید چاه ارت با چاه نول (چاه ویژه نول) یکی باشند و بایستی به صورت مستقل طراحی و ساخته شوند. مراکزی که دارای انشعاب ۲۰ کیلو ولت و پست برق هستند ، دارای چاه نول نیز می باشند.
نباید در تابلوی برق بیمارستان سیم نول و ارت به هم متصل شوند. این موضوع غیر استاندارد است و در صورت وجود بایستی اصلاح شود. در ادامه به چرایی این امر پرداخته شده است.
محل اتصالات سیم ارت باید به روشی ، هر چند وقت یکبار بازدید و مقاومت سیم زمین اندازه گیری شود.
بدنه فلزی کلیه تجهیزات اعم از الکتریکی یا غیر الکتریکی که فاقد دو شاخه ارت دار یا به طور کلی فاقد ارت است ، باید به طریق مناسب به سیم ارت متصل شود. مخصوصاً در اتاق های عمل و بخش هایی که دارای سیستم های صوتی و تصویری (اکو ، مانیتور و …) هستند ، رعایت این نکته ضروری است.

تولید برق در سراسر جهان غالباً توسط نیروهای مکانیکی ای که باعث گردش ژنراتور مولد برق می شوند ، صورت می گیرد. این انرژی ها در نیروگاه های حرارتی ، حرارتی سیکل ترکیبی ، گازی ، هسته ای ، آبی ، بادی ، زباله سوز و غیره تبدیل به نیرو برای ایجاد گردش در ژنراتور می شوند. ژنراتورِ تمام نیروگاه های ذکر شده از نوع سه فاز است که با شبکه سراسری برق سنکرون است. ولتاژ خروجی ژنراتورهای نیروگاهی بین ۶ تا ۱۱ کیلو ولت بین هر دو فاز بوده و سه فاز T ، S و R از آن خارج می شود. در خروجی توسط چندین مرحله پست فشار قوی از ترانس های مثلث به مثلث استفاده می شود تا به ۴۰۰ کیلو ولت (ولتاژ انتقال شبکه سراسری برق) افزایش یافته و سپس در نزدیکی شهرها یا کارخانجات طی چندین مرحله تا ۶۳ کیلو ولت و در داخل شهرها به ۲۰ کیلو ولت کاهش می یابد. در تمام این مراحلِ انتقال ، فقط سه سیم انتقال می یابد که همان سه فاز هستند و سیم نول اصلاً وجود ندارد.
این ولتاژ سپس توسط کابل های ۲۰ کیلو ولت یا تیرهای سیمانی خطوط انتقال شهری به پست های تبدیل انتقال داده شده و در آنجا به ۳۸۰ ولت یا ۴۰۰ ولت بین هر دو فاز کاهش می یابد. باید افزود که ثانویه این ترانس ها (۲۰KV/400V) بر خلاف سایر ترانس ها در شبکه توزیع برق ، از نوع ستاره است و سر وسط ستاره از طریق چاه نول ایجاد شده در پست برق زمین می شود و سیم نول را ایجاد می کند. مصرف کننده های خانگی و کوچک از حالت تکفاز (یکی از فازها و نول) استفاده می کنند که ولتاژ بین هر فاز تا فاز بعدی ۴۰۰ ولت و ولتاژ بین هر فاز تا نول ۲۳۰ ولت (یا طبق استاندارد کشورمان ۲۲۰ ولت) خواهد بود.
سیم نول از طریق چاهی که دقیقاً مشابه چاه ارت است ، زمین می شود ولی از محل پست تا محل مصرف کننده ، با حرکت از بالای تیرهای سیمانی یا داخل کابل ها کلیه امواج الکترومغناطیسی ناشی از فرستنده های رادیویی ، تلویزیونی ، بی سیم ، موبایل و … را جذب می کند و تبدیل به سیمی مملو از انواع نویزها می شود و هر چند از نظر حفاظتی در مقابل ولتاژهای زیاد ممکن است قابل قبول باشد ولی برای زمین کردن نویزهای ناشی از امواج الکترومغناطیسی که روی بدنه تجهیزات یا بدن بیمار ایجاد شده است ، به هیچ عنوان کارایی ندارد و حتی اتصال آن به دستگاه ها مقدار بیشتری پارازیت را وارد دستگاه می کند.
از آنجا که سیم نول مملو از انواع امواج الکترومغناطیسی و پارازیت ها است ، به منظور جلوگیری از وارد شدن نویز به دستگاه ها و سیستم های پزشکی از طریق سیم نول ، طبق استاندارد بایستی سیم نول و ارت از هم جدا باشند.

تست ساده سیم ارت پریزهای مراکز درمانی وپزشکی
برای تست سیم ارت می توان از یک لامپ ۱۵۰W یا ۲۰۰W ، یک سرپیچ که به آن دو سیم نیم متری اتصال دارد ، یک ولت متر و یک فازمتر استفاده کرد.
به این صورت که ابتدا با کمک فازمتر ، فازِ پریز ارت دارِ موردنظر پیدا می شود و یک سر سیم های متصل به سرپیچ لامپ به فاز و سر دیگر به نول متصل می شود. ولت متر هم باید با لامپ موازی باشد. در این حالت لامپ روشن می شود و ولت متر هم عددی حدود ۲۲۰V را نشان می دهد. این عدد یادداشت می شود ، در این حالت بدون اینکه سیم فاز خارج شود ، فقط سیم نول خارج می شود ، لامپ خاموش می شود و ولت متر عدد صفر را نشان می دهد. حالا سیمی که قبلاً داخل نول بود ، به زبانه فلزی ارت که روی پریز برق قرار دارد ، متصل می شود. در این حالت باید مجدداً لامپ روشن شود و نور آن مشابه حالت اول و ولتاژ نشان داده شده برابر ولتاژ قبلی باشد. یعنی ولتاژ بین فاز و نول در حالت روشن بودن لامپ ، برابر ولتاژ فاز و ارت در حالت روشن بودن لامپ باشد.
این تست باید برای تک تک پریزها به صورت دوره ای انجام شود. وجود خطا در این تست نشانه وجود اشکال در سیم ارت یا وجود مقاومت در آن است که در هر صورت باید برای اصلاح آن اقدامات لازم صورت پذیرد.

به طور کلی می توان گفت در سیستم اتصال زمین تأسیسات برق مراکز درمانی و پزشکی ، علاوه بر این که عملکرد درست تأسیسات الکتریکی و حفاظت در برابر اتصال اتفاقی برق بر روی بدنه فلزی دستگاه ها و وسایل برقی بر اثر بروز اشکالات فنی مطرح است ، نشت جریان برق از تجهیزات و لوازم برقی سالم که در مجاورت بیماران مورد استفاده قرار می گیرد نیز ممکن است برای بیمار مخاطره آمیز باشد. به همین دلیل به منظور حفاظت از افراد در برابر شوک حاصله از این نوع جریان ها ، باید یک سیستم اتصال زمین قابل اطمینان پیش بینی شود و بدنه فلزی کلیه وسایل و دستگاه های برقی ثابت و سیار به آن متصل شود. تمامی موارد یاد شده لازم است در کلیه مراکز درمانی کوچک و بزرگ در نظر گرفته شوند.بعنوان مثال یونیت های دندانپزشکی – مراکز فیزیوتراپی – مراکز سونوگرافی و رادیولوژی همگی بایستی از سیستم ارت مناسبی برخوردار باشند و بطور منظم و ماهیانه تست مقاومت ارت و صحت اتصالات انجام شود.