211service.com
Nowe materiały herkulesowe
Skrzydła samolotu czy wirniki helikoptera wykonane z materiałów, które mogą zmieniać swój kształt w odpowiedzi na sterowanie elektryczne, były od dawna marzeniem inżynierów lotnictwa. To aplikacja, która znacznie poprawiłaby osiągi i zużycie paliwa samolotów. Ale odpowiedni materiał zmiennokształtny, aby tak się stało, okazał się nieuchwytny.
Teraz naukowcy z MIT odkryli obiecujące podejście, które wykorzystuje mechanizm, który ostatecznie spowoduje, że bateria twojego laptopa ponieść porażkę : rozszerzanie się i kurczenie materiałów elektrodowych w akumulatorze. To klasyczny przypadek zażywania cytryn i robienia lemoniady, mówi Jeszcze-Ming Chiang , profesor materiałoznawstwa i inżynierii na MIT, który pracuje nad projektem. Artykuły opisujące pracę pojawią się w kolejnych numerach Zaawansowane materiały funkcjonalne oraz Litery elektrochemiczne i półprzewodnikowe .
Wiele wcześniejszych badań nad materiałami zmiennokształtnymi dotyczyło piezoelektryków, materiałów, które zmieniają kształt w odpowiedzi na elektryczność. Ale Chiang mówi, że dawno temu zdecydował, że piezoelektryki nie będą działać w tak rygorystycznych zastosowaniach, jak zmiennokształtne wirniki helikoptera.
Od lat naukowcy zajmujący się pokrewną dziedziną baterii borykają się z problemem polegającym na tym, że jony przemieszczające się z jednej elektrody na drugą, podczas ładowania baterii, powodują rozszerzanie się materiału elektrody, a następnie ponowne kurczenie się, gdy bateria się rozładowuje. Ta cecha może z czasem powodować rozpadanie się wewnętrznej struktury baterii; więc naukowcy szukali materiałów, które nie cierpią z powodu tego efektu. Ale kiedy Chiang obliczył, ile energii mechanicznej może obejmować ta ekspansja, przeżył moment euforii. A późniejsze eksperymenty wykazały, że baterie mają energię mechaniczną potrzebną do przeniesienia ładunku dziesięć razy większą niż piezoelektryki.
Wydajność baterii wiąże się jednak z kompromisem: szybkością. Piezoelektryki mogą z łatwością działać z prędkością kilku tysięcy cykli na sekundę, mówi Chiang. Ale rozszerzenie baterii jest ograniczone przez czas potrzebny do jej naładowania. W zależności od tego, ile ruchu jest wymagane, może to zająć od nieco ponad minuty do sporego ułamka godziny, zgodnie z Steven Hall , profesor aeronautyki i astronautyki na MIT zaangażowany w projekt. Naukowcy mają nadzieję, że uda się to poprawić, skracając czas ładowania baterii.
Chiang pracuje również nad zaprojektowaniem silniejszych fizycznie baterii, które mogą lepiej wykorzystać energię mechaniczną elektrody.
Jednak istniejące akumulatory dostępne na rynku są wystarczająco dobre, aby zbudować model demonstracyjny, który naukowcy mają nadzieję przygotować na początku przyszłego roku. Ostatecznie seria baterii zostanie osadzona w łopatce wirnika i użyta do jej selektywnej morfingu.
Taka zmiana kształtu pozwoli inżynierom uniknąć kompromisu, który był podstawą projektowania śmigłowców. Helikoptery są zbudowane do wykonywania dwóch bardzo różnych rzeczy – zawisu i rejsu. W rezultacie nie radzą sobie szczególnie dobrze. Możliwość zmiany kształtu wirnika w locie może zoptymalizować je pod kątem tych dwóch funkcji. Chiang i Hall obliczają, że śmigłowiec mógłby wtedy działać z około 1% mniej paliwa, co z czasem może znacznie się sumować. Alternatywnie helikoptery wojskowe mogą przenosić dwa dodatkowe oddziały lub lepiej sprawdzać się w operacjach na dużych wysokościach w górach.
Rotory też mogą być dopiero początkiem. Chiang i Hall wskazują na zastosowania w samolotach, w których zmiana kształtu skrzydeł podczas lotu może przynieść podobną poprawę wydajności i wydajności. Mogą być również przydatne do aktywnie obracających się ogniw słonecznych w celu śledzenia słońca lub rozmieszczania ogniw słonecznych i innych wypustek satelitów, gdy dotrą do kosmosu.