17‐летний парень разработал двигатель, потенциально способный изменить индустрию электромобилей / Хабр
Исследование Роберта Сэнсона может проложить путь к производству электромобилей без редкоземельных магнитов. Подробности — к старту нашего флагманского курса по Data Science.
Роберт Сэнсон — прирождённый инженер. Изобретатель из Форт‐Пирса, Флорида, посчитал, что в свободное время завершил не менее 60 инженерных проектов: от аниматронных рук до скоростных беговых ботинок и картинга, который может развивать скорость более 112 километров в час. И ему всего 17.
Роберт Сэнсон со своим новым синхронным реактивным двигателемПару лет назад Сэнсон наткнулся на ролик о преимуществах и недостатках электромобилей. В видео объясняли, что для большинства двигателей электромобилей нужны магниты, изготовленные из редкоземельных элементов, добыча которых может стоить дорого как с финансовой, так и с экологической точки зрения. Необходимые редкоземельные материалы могут стоить сотни долларов за килограмм.
Для сравнения: медь стоит 7,83 доллара США за килограмм.
«Интерес к электродвигателям у меня врождённый, — рассказывает Сэнсон, который использовал их в различных проектах по робототехнике. — Я хотел разрешить проблему экологичного производства и разработать другой двигатель».
Старшеклассник слышал о типе электродвигателя — синхронном реактивном двигателе, в котором эти редкоземельные материалы не используются. Этот тип двигателя используется для насосов и вентиляторов, но он недостаточно мощный для электромобиля. Сэнсон начал мозговой штурм, чтобы повысить его мощность.
За год Сэнсон создал прототип нового синхронного реактивного двигателя с крутящим моментом и эффективностью больше, чем у существующих двигателей. Прототип изготовлен из пластика, медных проводов и стального ротора и протестирован различными измерителями мощности. Скорость вращения двигателей определялась лазерным тахометром. В этом году работа принесла Сэнсону первую премию и $75 000 на Международной научно‐технической ярмарке Regeneron (ISEF) — крупнейшем [в США] конкурсе в науке, технологиях, инженерии и математике для старшеклассников.
Постоянные магниты двигателей состоят из неодима, самария и диспрозия. Эти материалы используются во многих продуктах широкого потребления, включая наушники и наушники‐вкладыши, объясняет профессор электротехники и вычислительной техники в университете Мичигана Хит Хофманн. Хофманн много работал над электромобилями, в том числе консультировал Tesla в области разработки алгоритмов управления их силовым приводом.
«Кажется, количество приложений магнитов становится всё больше и больше, — говорит он. — Многие материалы добываются в Китае, поэтому цена часто может зависеть от нашего торгового статуса с Китаем». Хофманн добавляет, что Tesla в своих двигателях недавно начала использовать постоянные магниты.
Для вращения ротора электродвигатели задействуют вращающиеся электромагнитные поля. Эти электромагнитные поля создаёт статор — катушки проволоки в неподвижной внешней части двигателя. В двигателях с постоянными магнитами магниты, прикреплённые к краю вращающегося ротора, создают магнитное поле, которое притягивается к противоположным полюсам вращающегося поля.
Это притяжение раскручивает ротор.
В синхронных реактивных двигателях магнитов нет. Стальной ротор с прорезанными в нём воздушными зазорами выравнивается с вращающимся магнитным полем. Ключ к такому выравниванию — магнитное сопротивление. Крутящий момент создаётся, когда ротор и магнитное поле вращаются вместе, а увеличивается, когда увеличивается разница в магнетизме материалов — здесь это сталь и немагнитный воздушный зазор.
Сэнсон решил, что вместо воздушных зазоров может включить в двигатель другое магнитное поле. Это увеличило бы соотношение предельной и наименьшей индуктивности и, в свою очередь, увеличило крутящий момент. В конструкции есть и другие компоненты, но изобретатель не может раскрыть больше: в будущем он надеется запатентовать технологию.
В тестах на крутящий момент и эффективность новый двигатель превзошёл традиционный синхронный реактивный двигатель аналогичной конструкции.
«Как только у меня появилась эта первоначальная идея, мне пришлось сделать несколько прототипов, чтобы проверить, будет ли эта конструкция работать на самом деле, — говорит Сэнсон.
— У меня нет огромного количества ресурсов для создания очень продвинутых двигателей, поэтому мне пришлось сделать уменьшенную версию — модель в масштабе — с помощью 3D‐принтера».
Прежде чем он смог проверить конструкцию, потребовалось несколько прототипов.
«На самом деле у меня не было наставника, который мог бы мне помочь, поэтому каждый раз, когда двигатель выходил из строя, мне приходилось проводить массу исследований и пытаться устранять неполадки, — говорит он. — Но в итоге я смог получить работающий прототип на 15‐м двигателе».
Сэнсон проверил крутящий момент и эффективность своего двигателя, а затем — для сравнения — изменил его конфигурацию так, чтобы он работал как более традиционный синхронный реактивный двигатель. Он обнаружил, что при 300 оборотах в минуту его новая конструкция даёт крутящий момент больше на 39% и на 31% повышает эффективность.
При 750 об./мин эффективность увеличилась на 37%. Он не мог тестировать прототип при более высоких оборотах: пластиковые детали перегревались.
Этот урок он усвоил на собственном горьком опыте, когда один из прототипов расплавился прямо на столе, рассказывает он подкасту Top of the Class.
Для сравнения: двигатель Tesla Model S может развивать скорость до 18 000 об./мин, объяснил главный конструктор двигателей компании Константинос Ласкарис в интервью 2016 года Кристиану Руоффу для журнала об электромобилях Charged.
Сэнсон подтвердил свои результаты во втором эксперименте, где «выделил теоретический принцип, согласно которому новая конструкция создаёт явно выраженные магнитные полюса». По сути, этот эксперимент исключил все другие переменные и подтвердил, что улучшения крутящего момента и эффективности в его конструкции коррелируют с бо́льшим отношением предельной и наименьшей индуктивностей.
«Он определённо правильно смотрит на вещи, — говорит Хофманн о Сэнсоне. — Есть потенциал, это может стать следующей вехой». Однако он добавляет, что многие профессора работают над исследованиями всю свою жизнь, и «в конечном счёте они довольно редко завоёвывают мир».
Хофманн говорит, что материалы для синхронных реактивных двигателей недороги, но машины сложные и, как известно, производить их трудно. Таким образом, препятствие для их широкого применения и основное ограничение для изобретения Сэнсона — высокие производственные затраты.
Сэнсон соглашается с Хофманном, но говорит: «с новыми технологиями (например, 3D‐печатью), в будущем создать двигатель было бы проще».
Сейчас Сэнсон работает над расчётами и трёхмерным моделированием 16‐й версии своего двигателя, которую он планирует построить из более прочных материалов, чтобы протестировать её на более высоких оборотах. Если его двигатель продолжит работать с высокой скоростью и эффективностью, Сэнсон продвинется вперёд в процессе патентования.
Вся экспериментальная установкаБудучи старшеклассником Центральной средней школы Форт‐Пирса, Сэнсон мечтает поступить в Массачусетский технологический институт. Его выигрыш от ISEF пойдёт на оплату обучения в колледже.
Сэнсон говорит, что изначально не планировал участвовать в конкурсе.
Но когда он узнал, что одно из его занятий позволило ему завершить годовой исследовательский проект и статью по выбранной им теме, то решил воспользоваться возможностью и продолжить работу над своим двигателем.
«Я подумал, если смогу вложить в это много энергии, то смогу также сделать это проектом научной выставки и участвовать с проектом в конкурсах», — объясняет он. После хороших результатов на районных и государственных соревнованиях он перешёл к ISEF.
Сэнсон ждёт следующего этапа испытаний, прежде чем обратиться к какой‐либо автомобильной компании, и даже надеется, что однажды его двигатель станет для электромобилей предпочтительным.
«Редкоземельные материалы в существующих электродвигателях — основная причина, подрывающая производство электромобилей. — утверждает он. — Увидеть день, когда производство электромобилей станет проще благодаря помощи моей новой конструкции двигателя, — это было бы сбывшейся мечтой».
А мы поможем прокачать ваши навыки или с самого начала освоить профессию, актуальную в любое время:
Профессия Data Scientist
Профессия «Белый» хакер
ИДЕНТИФИКАЦИЯ ВОЗДУШНЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ ЦЕЛЕЙ ПРИ ПОМОЩИ ЭФФЕКТА ДОПЛЕРА ОТ НАГРЕТОГО РЕАКТИВНОГО ДВИГАТЕЛЯ | Адалаева
1.
Патент RU №2358284. МПК: G01S 13/08. Устройство устранения неоднозначных измерений дальности до целей, находящихся за пределами рабочей зоны радиолокационной станции/ Беляков Е.С., Кострова Т.Г., Антуфьев Р.В., Костров В.В.// Опубл. 10.06.2009. Бюл. № 16.
2. Патент RU №2149421. МПК: G01S 13/04. Способ радиолокационного обнаружения и сопровождения объектов и РЛС для его реализации / Беляев Б.Г., Голубев Г.Н., Жибинов В.А., Щекотов Ю.П.// Опубл. 20.05.2000. Бюл. № 14.
3. Патент RU №2389039. МПК: G01S 13/58. Способ измерения радиальной скорости воздушной цели в режиме перестройки частоты от импульса к импульсу по случайному закону при пониженном отношении сигнал-шум / Митрофанов Д.Г., Силаев Н.В., Майоров Д.А., Тулузаков В.Г., Немцов А.В. // Опубл. 20.05.2010. Бюл. № 13.
4. Патент RU №2341813. МПК: G01S 13/04. Подвижная наземная двухкоординатная РЛС кругового обзора метрового диапазона/ Башев В.В., Грачев О.Д., Зачепицкий А.А., Зяблов Н.Е., Кокурошников С.М., Малков М.А.
// Опубл. 20.12.2008. Бюл. № 35.
5. Патент RU №2302077. МПК: H04B 1/04. Способ обработки сигнала / Анташев А.Б., Анташев В.Б.,Анташев Д.А.,Анташев П.В.// Опубл. 27.06.2007. Бюл. № 18.
6. Патент RU №2326401. МПК: G01S 13/34, H04D 7/00. Способ обнаружения сигнала / Анташев А.Б., Анташев В.Б., Анташев Д.А., Анташев П.В., Дементьев Р.С.// Опубл. 10.06.2008. Бюл. № 16.
7. Под ред. Соколов М. Вопросы перспективной радиолокации. – М.: Радиотехника. 2003. – 512 с.
8. Перунов Ю.М., Куприянов А.И. Радиоэлектронная борьба: радиотехническая разведка. – М.: Вузовская книга. 2016. – 190 с.
9. Радзиевский В.Г., Трифонов П.А. Обработка сверхширокополосных сигналов и помех. – М.: Радиотехника. 2009. – 288 с.
10. Панычев С.Н., Питолин В.М., Самоцвет Н.А. Универсальный показатель для оценки эффективности маскирующих и имитационных помех//Радиотехника. – 2016. – № 6. – С. 26-30.
11. Литвинов Н.Н., Лаврентьев А.М. Анализ. Возможности маскировки зондирующих сигналов радиолокационных станций группировки противовоздушной обороны//Вестник Воздушно-космической обороны.
– М.: ПАО «НПО «Алмаз». – 2017. – № 1 (13). – С. 38-43.
12. Головков А.А., Минаков В.Г. Синтез согласующе-фильтрующих устройств амплитуднофазовых манипуляторов при включении управляемого элемента последовательно источнику сигнала // Телекоммуникации. – 2005. – № 3. – С. 33-37.
13. Головков А.А., Головков В.А. Параметрический синтез амплитудно-фазовых модуляторов с различными вариантами включения нелинейного элемента относительно резистивного четырехполюсника//Радиотехника и электроника. – 2013. – № 8. – С. 609-618.
14. Головков А.А., Семенов А.А. Математическое и схемотехническое моделирование амплитудно-фазовых модуляторов с использованием резистивного согласующего устройства при последовательном соединении трехполюсного нелинейного элемента и цепи обратной связи // Нелинейный мир. – 2013. – № 6. – Т. 11. – С. 417-422.
15. Под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисова. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования – М.: Радиотехника. 2010. – 688 с.
16. Подкорытов А.
Н. Высокоточное определение координат потребителя в глобальных навигационных спутниковых системах c использованием уточненной эфемеридно-временной информации // Вестник Московского авиационного института. – М.: МАИ. 2011. – № 3. – Т. 18. – С. 233-239.
17. Подкорытов А.Н. Высокоточное местоопределение в абсолютном режиме в ГНСС с использованием разрешения целочисленной неоднозначности псевдофазовых измерений//Электронный журнал «Труды МАИ». – № 59.
18. Никитин Д.П., Валайтите А.А. Анализ качества высокоточной эфемеридно-временной информации для определения координат низкоорбитальных космических аппаратов//Электросвязь. 2016. № 11. С. 18-24.
19. Никитин Д.П., Валайтите А.А. Алгоритм высокоточного абсолютного местоопределения по сигналам ГНСС для низкоорбитальных космических аппаратов//Электросвязь. – 2016. – № 11. – С. 12-17.
20. Куликов С.В., Гудаев Р.А., Балдычев М.Т., Гайчук Ю.Н. Решение задачи распознавания излучающих объектов на основе подхода к отождествлению их диаграмм направленности // Наукоемкие технологии.
– 2015. – № 12. – С. 26-30.
21. Рогов Д.А., Бабишкин А.А., Гудаев Р.А., Чистяков С.В. Алгоритм распознавания типа излучающего объекта на основе спектрального портрета в воздушно-космическом пространстве на основании использования спектрального портрета//Труды ВКА имени А.Ф.Можайского. – СПб.: ВКА имени А.Ф.Можайского. – 2016. – Вып. 654. – С. 38-42.
22. Федотов Н.Г. Теория признаков распознавания образов на основе стохастической геометрии и функционального анализа. – М.: Физматлит. 2010. – 304 с.
23. SobolevV.S., FeshenkoA.A. Accurate Cramer-Rao Bounds for a Laser Doppler anemometer // IEEE transactions on instrumentation and measurement. – 2006. – V. 55. – № 2. – P. 659-665.
24. Parkinson B., Spilker J. Global Positioning System: Theory and Practice. V. I, II. Washington, DC: American Institute of Aeronautics and Astronautics. – 1996.
25. Rodrigo F. Leandro. Precise point positioning with GPS a new approach for positioning, atmospheric studies, and signal analysis//Department of Geodesy and Geomatics Engineering University of New Brunswick.
2009.
26. Publication on Geodesy 68ESA’s Earth Observation Programmes: Advancing Earth Science Through New Sensing Technology. Ссылка активна на 30.06.2018. URL: http://earthzine.org/2007/10/29/esas-earth-observation-programmes-advancing-earth-science-throughnew-sensing-technology.
Плазменные реактивные двигатели, которые могут доставить вас с земли в космос
Сандрин Керстемон
Полет на плазменном самолете
Future Workshop Electrofluidsystems TU Berlin
ЗАБУДЬТЕ о реактивных двигателях на топливе. Мы находимся на пороге появления самолетов, которые могут летать от земли до края космоса, используя только воздух и электричество.
Традиционные реактивные двигатели создают тягу, смешивая сжатый воздух с топливом и воспламеняя его. Горящая смесь быстро расширяется и выбрасывается из задней части двигателя, толкая его вперед.
Вместо топлива плазменные реактивные двигатели используют электричество для создания электромагнитных полей.
Они сжимают и возбуждают газ, такой как воздух или аргон, в плазму — горячее, плотное ионизированное состояние, подобное тому, что находится внутри термоядерного реактора или звезды.
Реклама
Плазменные двигатели застряли в лаборатории в течение последнего десятилетия или около того. И исследования их в основном ограничивались идеей запуска спутников в космос.
Беркант Гёксель из Берлинского технического университета и его команда теперь хотят установить плазменные двигатели на самолеты. «Мы хотим разработать систему, которая сможет работать на высоте более 30 километров, куда не доберутся стандартные реактивные двигатели», — говорит он. Они могли бы даже доставить пассажиров на край атмосферы и за ее пределы.
Узнайте больше о Virgin Galactic: исследуйте прошлое и будущее космических путешествий в туре New Scientist Discovery Tour
Задача заключалась в разработке воздушно-реактивного плазменного двигателя, который можно было бы использовать как для взлета, так и для полетов на большой высоте.
-высотный полет.
Плазменные реактивные двигатели, как правило, предназначены для работы в вакууме или при низком давлении, характерном для высоких атмосферных значений, где им необходимо нести подачу газа. Но теперь команда Гёкселя испытала устройство, способное работать на воздухе при давлении в одну атмосферу ( Journal of Physics Conference Series , doi.org/b66g). «Мы первыми стали производить быстрые и мощные плазменные струи на уровне земли», — говорит Гёксель. «Эти струи плазмы могут развивать скорость до 20 километров в секунду».
Команда использовала быстрый поток наносекундных электрических разрядов, чтобы воспламенить двигательную смесь. Аналогичный метод используется в двигателях внутреннего сгорания с импульсной детонацией, что делает их более эффективными, чем стандартные двигатели, работающие на топливе.
Впервые применили импульсную детонацию к плазменным двигателям. Джейсон Кассибри из Университета Алабамы в Хантсвилле впечатлен. «Это может значительно увеличить дальность полета любого самолета и снизить эксплуатационные расходы», — говорит он.
Но есть несколько препятствий, которые нужно преодолеть, прежде чем технология сможет привести в движение настоящий самолет. Для начала команда протестировала мини-двигатели длиной 80 миллиметров, а коммерческому авиалайнеру для полета потребуется около 10 000 таких двигателей, что делает нынешнюю конструкцию слишком сложной для самолетов такого размера. На данный момент команда Гёкселя планирует нацеливаться на небольшие самолеты и дирижабли. Для небольшого самолета было бы достаточно от 100 до 1000 двигателей, что, по мнению команды, возможно.
Подробнее: 9цитаты, рассказывающие драматическую историю сверхзвукового полета
Самым большим ограничением является отсутствие легких аккумуляторов. Для производства и поддержания плазмы требуется огромное количество электроэнергии. «Для множества двигателей потребуется небольшая электрическая силовая установка, которую невозможно установить на самолет с современными технологиями», — говорит Дэн Лев из Израильского технологического института Технион.
Источник питания также является препятствием для увеличения размеров отдельных двигателей. Это уменьшит количество, необходимое для приведения в движение самолета, но для каждого из них потребуется больше энергии.
Гёксель надеется на прорыв в компактных термоядерных реакторах для питания своей системы. По его словам, другими возможными вариантами могут быть солнечные батареи или беспроводная передача энергии двигателям.
Тем временем он изучает гибридные самолеты, в которых его плазменный двигатель будет сочетаться с импульсно-детонационными двигателями внутреннего сгорания или ракетами для экономии топлива.
Эта статья появилась в печати под заголовком «Плазменные реактивные двигатели могут доставить вас в космос»
Дополнительная информация по этим темам:
- космический полет
- самолет
- электромагнетизм
Электрические реактивные двигатели могут означать углеродно-нейтральные воздушные путешествия
Мы много говорим об электромобилях, и очевидно, что инженеры работают над альтернативами ископаемому топливу для наших наземных путешествий.
Но как быть с самолетами? В 2019 году, 18,27 миллиарда галлонов топлива было использовано самолетами. Это далеко не углеродно-нейтральный.
Вскоре, однако, мы могли меньше чувствовать вину за то, что летаем. Группа исследователей создала прототип реактивного двигателя, способного двигаться вперед, используя только электричество. Их исследование было опубликовано в AIP Advances в мае 2020 года.
Электрические реактивные двигатели
Устройство, созданное исследователями из Института технологических наук Уханьского университета в Китае, сжимает воздух и ионизирует его с помощью микроволн. Затем это генерирует плазму, которая толкает двигатель вперед.
Главным толчком для создания двигателя нового типа стал климатический кризис. «Мотивация нашей работы заключается в том, чтобы помочь решить проблемы глобального потепления из-за того, что люди используют двигатели внутреннего сгорания на ископаемом топливе для питания машин, таких как автомобили и самолеты», — пояснил Джау Танг, ведущий исследователь исследования и профессор Уханьского университета.
. «С нашей конструкцией нет необходимости в ископаемом топливе, и, следовательно, нет выбросов углерода, вызывающих парниковый эффект и глобальное потепление».
Сильный соперник кварцевый куб диаметром 24 миллиметра, в котором воздух под высоким давлением превращается в струю плазмы благодаря прохождению через микроволновую ионизационную камеру. Чтобы сохранить масштаб, это соответствует тяговому давлению, сравнимому с реактивным двигателем коммерческого самолета.
Самый популярный
Тан сказал: «Наши результаты показали, что такой реактивный двигатель на основе микроволновой воздушной плазмы может быть потенциально жизнеспособной альтернативой обычному реактивному двигателю, работающему на ископаемом топливе».
Жизненно важно, чтобы мы начали вносить изменения в то, как мы относимся к нашей планете.
Для вас
Инновация
Стартап 23-летнего Картика Ратинама Out Of The Box создает прочную, водостойкую и прочную мебель из картона. Он рассказывает IE о своих экологически чистых продуктах.
Дина Тереза | 17.08.2022
инновации23-летний дизайнер изобретает новый вид стола, который вырабатывает электричество
Дина Тереза| 19.08.2022
наукаЭта компания запускает прах ваших близких в космос
More Stories
культура
ВВС США представят первый за 34 года новый бомбардировщик-невидимку B-21 Raider
Ameya Paleja| 21.
