Как работает ионный ветер, левитация и эффект Бифельда-Брауна
Левитация — преодоление гравитации, при котором субъект или объект пари́т в пространстве (левитирует), не касаясь поверхности твёрдой или жидкой опоры.
Алюминиевая пищевая фольга и тончайшая медная проволочка, а между ними — лишь 3 сантиметра воздуха. Фольга и проволочка закреплены на квадратном диэлектрическом каркасе из легких пластиковых палочек. Конструкция покоится на столе, и как на любой предмет, на нее действует сила тяжести со стороны Земли. Но стоит создать между фольгой и проволочкой разность потенциалов в несколько тысяч вольт, подав на нее высокое постоянное напряжение порядка 30000 вольт от маломощного источника питания, как конструкция, словно по волшебству, взлетает.
Речь здесь не идет о взлетающем конденсаторе, ведь обкладки, если их вообще можно так назвать, почти не перекрывают друг друга по сколь-нибудь значимой доле своих площадей, а значит практически никакого накопления энергии в диэлектрике между «обкладками» не происходит.
Если бы конструкцию не удерживали на столе тончайшие крепкие ниточки, она продолжила бы свое поступательное движение в направлении электрода из тонкой проволоки, но поскольку ниточки крепко держат изделие, оно просто зависает в воздухе над столом и как-бы левитирует над ним.
Этот эксперимент – наглядная демонстрация так называемого эффекта Бифельда-Брауна, известного многим экспериментаторам, любителям «лифтеров» (от англ. Lifter), чьи поделки в огромном разнообразии можно наблюдать на ютубе.
Эффект Бифельда-Брауна — это один из тех немногих физических эффектов, которые не так то просто однозначно объяснить и внятно описать даже сегодня. Фактически возле электрода-проволочки малой площади напряженность электрического поля в десятки раз превышает напряженность возле электрода-фольги большой площади.
Это значит, что на окружающее пространство данные «обкладки» воздействуют по-разному.
В пространстве между электродами и около них имеет место сильно несимметричная картина постоянной во времени напряженности электрического поля.
Здесь есть, конечно, в качестве одной из составляющих, так называемый «ионный ветер», вклад которого, однако, в движение конструкции очень и очень мал, на «ионный ветер» приходится менее сотой доли всей тяги — менее 1% подъемной силы.
Ионного ветра хватает разве что на то, чтобы немного отклонить язычок пламени, как в школьном эксперименте с высоким напряжением на кончике иглы, поднесенной к зажженной свече. Это совсем мизерная сила, она не сможет даже приподнять фольгу от стола, не говоря уже о том, чтобы удерживать в подвешенном состоянии на натянутых нитях изделие весом в десятки и сотни грамм. Из 100 грамм тяги «ионный ветер» создает максимум 1 грамм.
Кроме того, 40% тяги при работе не в вакууме создает движение потока воздуха, возникающее вследствие эффекта коронного разряда на резкой грани в электрическом поле. На этом принципе уже сегодня работают электростатические безлопастные вентиляторы.
Возле тонкого электрода атомы воздуха ионизируются, и начинают двигаться в направлении широкого электрода, по пути они сталкиваются с другими молекулами воздуха, отдают им долю собственной кинетической энергии, или опять же ионизируют, и те поэтому ускоряются.
Так создается поток воздуха от тонкого электрода — к широкому. Этого потока воздуха достаточно чтобы поднять очень легкие модели по принципу реактивного движения с отбросом массы (масса молекул воздуха). Но в контексте того о чем будет сказано ниже, даже эта крупная составляющая эффекта Бифельда-Брауна является всего лишь паразитной компонентой, зависящей от величины тока (на самом деле – тока утечки).
Вся соль эффекта в том, что около 49% тяги, как говорят ученые, имеют здесь неизвестную природу, то есть практически половина общей подъемной силы как-то связана с действием несимметричного электрического поля на окружающее пространство, и вообще не связана с величиной тока, создаваемого потоком ионов воздуха.
По всей вероятности речь идет о воздействии этой заряженной конструкции на гравитационное поле над электродом малой площади.
Если убрать ниточки, которые удерживают изделие на столе, оно будет все время стремиться вверх — в сторону электрода малой площади.
На этом принципе, как предполагают российские ученые Эмиль Бикташев и Михаил Лавриненко, можно попробовать построить очень эффективный двигатель для космического аппарата. Эксперимент в вакууме подтвердил принципиальную возможность данной затеи.
Ранее ЭлектроВести писали, что японская компания Lexus показала свой первый функционирующий прототип ховерборда – летающей доски для скейтбордистов.
По материалам: electrik.info.
Ионный ветер – Телеканал “Наука”
Физическое явление, при котором движение воздуха создаётся с помощью электрического поля.
- Хтоническое
Самый древний алмаз на Земле нашли в образцах из Якутии
- Машины против людей
- Кибервсё
- Будущее уже здесь
Текстовую нейросеть научили «думать» еще лучше, чтобы избавить от расизма и сексизма
- Устройство человека
Психофизиологи: восприятие времени у человека меняется с каждым ударом сердца
- Социальное животное
- Устройство человека
Приносят ли деньги счастье? Наконец, появились твердые научные доказательства
- Климатический кризис
- Пакет с пакетами
Исследование загрязнения воздуха показало, что почти нигде на Земле небезопасно
ESA/Webb, NASA & CSA, A. Martel
Модель развития Вселенной пора пересмотреть?
Simone Giovanardi/Bruce Museum
Палеонтологи открыли новый вид ископаемых пингвинов — птичка оказалась гигантской
Канарский институт астрофизики
10 необычных экзопланет, открытых или изученных в 2022 году
Richard D. Hansen/Ancient Mesoamerica, 2022
На севере Гватемалы в джунглях обнаружили огромную сеть поселений ранних майя
Топ-10 важнейших научных событий 2022 года
Хотите быть в курсе последних событий в науке?
Оставьте ваш email и подпишитесь на нашу рассылку
Ваш e-mail
Нажимая на кнопку «Подписаться», вы соглашаетесь на обработку персональных данных
инженеров Массачусетского технологического института управляют первым в мире самолетом без движущихся частей | Новости Массачусетского технологического института
С тех пор, как более 100 лет назад в воздух поднялся первый самолет, практически каждый самолет в небе летал с помощью движущихся частей, таких как пропеллеры, лопасти турбины или вентиляторы , которые производят постоянное жужжание.
Теперь инженеры Массачусетского технологического института построили и управляют первым в мире самолетом без движущихся частей. Вместо пропеллеров или турбин легкий летательный аппарат приводится в действие «ионным ветром» — бесшумным, но мощным потоком ионов, который создается на борту самолета и создает достаточную тягу, чтобы продвигать самолет в течение продолжительного и устойчивого полета.
В отличие от самолетов с турбинными двигателями, полет этих самолетов не зависит от ископаемого топлива. И в отличие от винтовых дронов, новая конструкция абсолютно бесшумна.
«Это первый в истории устойчивый полет самолета без движущихся частей в двигательной установке», — говорит Стивен Барретт, доцент кафедры аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института. «Это потенциально открыло новые и неизведанные возможности для самолетов, которые тише, механически проще и не выделяют вредных выбросов».
Он ожидает, что в ближайшем будущем такие ионно-ветровые двигательные установки можно будет использовать для управления менее шумными дронами.
Кроме того, он предполагает, что ионная силовая установка будет сочетаться с более традиционными системами сгорания для создания более экономичных гибридных пассажирских самолетов и других крупных самолетов.
Барретт и его команда из Массачусетского технологического института опубликовали сегодня свои результаты в журнале Nature .
Хобби-рукоделие
Барретт говорит, что вдохновение для создания ионного самолета частично почерпнули из фильма и телесериала «Звездный путь», которые он с интересом смотрел в детстве. Его особенно привлекали футуристические шаттлы, которые легко скользили по воздуху, казалось бы, без движущихся частей и почти без шума или выхлопа.
«Это навело меня на мысль, что в долгосрочной перспективе у самолетов не должно быть винтов и турбин, — говорит Барретт. «Они должны быть больше похожи на шаттлы из «Звездного пути , », которые просто светятся голубым и бесшумно парят».
Около девяти лет назад Барретт начал искать способы спроектировать силовую установку для самолетов без движущихся частей.
В конце концов он натолкнулся на «ионный ветер», также известный как электроаэродинамическая тяга — физический принцип, который впервые был обнаружен в 19 веке.20s и описывает ветер или тягу, которая может возникнуть, когда ток проходит между тонким и толстым электродом. Если приложено достаточное напряжение, воздух между электродами может создать достаточную тягу, чтобы привести в движение небольшой самолет.
В течение многих лет электроаэродинамическая тяга в основном была проектом для любителей, и проекты по большей части ограничивались небольшими настольными «подъемниками», привязанными к источникам высокого напряжения, которые создают достаточно ветра, чтобы небольшой корабль мог ненадолго зависнуть в воздухе. . В основном предполагалось, что будет невозможно создать достаточное количество ионного ветра, чтобы привести в движение более крупный самолет в течение продолжительного полета.
«Это была бессонная ночь в отеле, когда у меня был синдром смены часовых поясов, и я думал об этом и начал искать способы, как это можно сделать», — вспоминает он.
«Я сделал некоторые предварительные расчеты и обнаружил, что да, это может стать жизнеспособной силовой установкой», — говорит Барретт. «И оказалось, что потребовалось много лет работы, чтобы перейти от этого к первому испытательному полету».
Воспроизвести видео
Ионы взлетают
Окончательный проект команды напоминает большой легкий планер. Самолет, который весит около 5 фунтов и имеет 5-метровый размах крыльев, несет множество тонких проводов, которые натянуты как горизонтальное ограждение вдоль и под передним концом крыла самолета. Провода действуют как положительно заряженные электроды, а аналогично расположенные более толстые провода, идущие вдоль задней части крыла самолета, служат отрицательными электродами.
Фюзеляж самолета содержит стопку литий-полимерных аккумуляторов. В команду Барретта по созданию ионного самолета входили члены Исследовательской группы силовой электроники профессора Дэвида Перро в Исследовательской лаборатории электроники, которые разработали источник питания, который преобразовывал бы выходное напряжение батарей в достаточно высокое напряжение для движения самолета.
Таким образом, батареи подают электричество напряжением 40 000 вольт для положительного заряда проводов через легкий преобразователь энергии.
Когда на провода подается напряжение, они притягивают и отрывают отрицательно заряженные электроны от окружающих молекул воздуха, подобно гигантскому магниту, притягивающему железные опилки. Молекулы воздуха, оставшиеся позади, вновь ионизируются и, в свою очередь, притягиваются к отрицательно заряженным электродам в задней части самолета.
Когда новообразованное облако ионов течет к отрицательно заряженным проводам, каждый ион миллионы раз сталкивается с другими молекулами воздуха, создавая тягу, которая толкает самолет вперед.
Неискаженные кадры камеры безмоторного планера 2 с аннотациями положения и энергии от отслеживания камеры. Авторы и права: Стивен Барретт
Команда, в которую также входили сотрудники лаборатории Линкольна Томас Себастьян и Марк Вулстон, совершила несколько испытательных полетов на самолете через спортивный зал в спортивном центре Дюпон Массачусетского технологического института — самом большом помещении, которое они могли найти для проведения своих экспериментов.
Команда пролетела на самолете на расстоянии 60 метров (максимальное расстояние в тренажерном зале) и обнаружила, что самолет производит достаточную ионную тягу, чтобы поддерживать полет все время. Они повторили полет 10 раз с одинаковыми характеристиками.
Неискаженная видеозапись с камеры рейса 9, с комментариями положения и энергии от отслеживания камеры. Ускорился в 2 раза. Предоставлено: Стивен Барретт
«Это был самый простой из возможных самолетов, который мы могли спроектировать и который мог бы подтвердить концепцию, что ионный самолет может летать», — говорит Барретт. «До самолета, который мог бы выполнять полезную миссию, еще далеко. Он должен быть более эффективным, летать дольше и летать на улице».
Новая конструкция является «большим шагом» на пути к демонстрации возможности использования ионного ветра, по словам Франка Плоурабу, старшего научного сотрудника Института гидромеханики в Тулузе, Франция, который отмечает, что ранее исследователи не могли летать на чем-либо.
тяжелее нескольких граммов.
«Надежность результатов является прямым доказательством того, что устойчивый полет дрона с ионным ветром является устойчивым», — говорит Плурабуэ, не участвовавший в исследовании. «[Помимо приложений для дронов] трудно сделать вывод, насколько сильно это может повлиять на движение самолетов в будущем. Тем не менее, на самом деле это не слабость, а скорее открытие для будущего прогресса в области, которая сейчас вот-вот взорвется».
Команда Барретта работает над повышением эффективности своей конструкции, чтобы производить больше ионного ветра при меньшем напряжении. Исследователи также надеются увеличить плотность тяги конструкции — количество тяги, генерируемой на единицу площади. В настоящее время для полета на легком самолете команды требуется большая площадь электродов, которые, по сути, составляют двигательную установку самолета. В идеале Барретт хотел бы спроектировать самолет без видимой двигательной установки или отдельных поверхностей управления, таких как рули направления и рули высоты.
«Понадобилось много времени, чтобы добраться сюда, — говорит Барретт. «Переход от основного принципа к чему-то, что действительно летает, был долгим путем описания физики, затем разработки дизайна и запуска его в работу. Теперь возможности для такой двигательной установки вполне жизнеспособны».
Это исследование было поддержано, в частности, линией автономных систем лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института, исследовательским грантом профессора Амара Г. Бозе и Альянсом исследований и технологий Сингапура и Массачусетского технологического института (SMART). Работа также финансировалась через кафедры развития карьеры Чарльза Старка Дрейпера и Леонардо в Массачусетском технологическом институте.
Поделитесь этой новостной статьей:
Упоминания в прессе
Forbes
Профессор Стивен Барретт беседует с журналистом Forbes Джереми Богайски о разработанном им новом самолете, приводимом в движение ионным двигателем, отмечая, что он работает над встраиванием в обшивку самолета системы Prolusion.
«Нет оснований думать, что в долгосрочной перспективе конструкции самолетов с электроаэродинамической силовой установкой должны выглядеть как современные самолеты», — объясняет Барретт.
Полная история через Forbes →
Economist
The Economist рассказывает о том, как исследователи Массачусетского технологического института разработали первый самолет, который приводится в действие ионным двигателем и не имеет движущихся частей. «Использование ионного двигателя означает, что корабль Массачусетского технологического института не содержит движущихся частей в виде пропеллеров или реактивных двигателей», — объясняет The Economist . «Он может летать бесшумно и без прямых выбросов от сжигания ископаемого топлива».
Полная история через Economist →
CNN
Репортер CNN Хелен Риган рассказывает о новом твердотельном самолете, разработанном исследователями Массачусетского технологического института, который не имеет движущихся частей и не требует ископаемого топлива.
«Этот полет является важной вехой в технологии «ионного ветра», — объясняет Риган, — и может проложить путь к более тихим и экологически чистым самолетам в будущем».
Полная история через CNN →
Associated Press
Вдохновленный «Звездным путем», профессор Стивен Барретт разработал новый бесшумный самолет, который не требует ископаемого топлива для работы и приводится в движение ионными ветряными двигателями, сообщает Малком Риттер для АП. Риттер объясняет, что технология, которая приводит в действие самолет, в конечном итоге может быть использована «в самолетоподобных беспилотниках, которые выполняют такие задачи, как мониторинг и наблюдение за окружающей средой».
Полная статья через Associated Press →
Scientific American
Корреспондент журнала Scientific American Ангус Чен пишет о том, как профессор Стивен Барретт создал первый в мире самолет, который приводится в движение ионными ветряными двигателями и не имеет движущихся частей.
«[Барретт] продемонстрировал нечто поистине уникальное, — говорит профессор Митчелл Уокер из Технологического института Джорджии.
Полная история через Scientific American →
Природа
A Природа 9Редакционная статья 0014 подчеркивает исторический прорыв, достигнутый исследователями Массачусетского технологического института, которые разработали первый самолет, который приводится в движение ионным ветром и не имеет движущихся частей. Nature пишет, что самолет является «замечательной машиной», добавляя, что «любой, кто наблюдает за полетом машины, наверняка увидит проблески будущего с более чистыми и бесшумными самолетами».
Полная история через Nature →
Разговор
В статье для Разговор профессор Стивен Барретт подробно описывает, как он был вдохновлен научно-фантастическими фильмами на создание самолета, который не производит шума, не имеет движущихся частей и не не требуют ископаемого топлива для работы.
Барретт объясняет, что он надеется, что новая технология «может быть использована в более крупных самолетах для снижения шума и даже позволит внешней обшивке самолета создавать тягу».
Полная история через The Conversation →
Popular Science
В статье для Popular Science Роб Вергер рассказывает, как исследователи Массачусетского технологического института построили и управляли «совершенно другим типом самолета, который движется по воздуху, используя только электричество и движение ионов, тип бесшумного привода без движущихся частей из научной фантастики».
Полная история через Popular Science →
The Washington Post
Исследователи Массачусетского технологического института построили новый электрический самолет, который не имеет движущихся частей и приводится в движение «ионным ветром», сообщает Джоэл Ахенбах для Вашингтон Пост . Франк Плурабуэ из Университета Тулузы объясняет, что новый самолет создает «отверстие для будущего прогресса в области, которая сейчас вот-вот взорвется».
Полная история через The Washington Post →
Reuters
Репортер Reuters Уилл Данхэм пишет, что новый самолет без движущихся частей, разработанный исследователями Массачусетского технологического института, представляет собой «радикально новый подход к полетам». Самолет может однажды привести к созданию «сверхэффективных и почти бесшумных самолетов, у которых нет движущихся поверхностей управления, таких как рули или рули высоты, нет подвижной двигательной установки, такой как пропеллеры или турбины, и нет выбросов прямого сгорания, как при сжигании реактивного топлива», объясняет Проф. Стивен Барретт.
Полная история через Reuters →
Ссылки по теме
- Полет самолета с твердотельным двигателем
- Стивен Барретт
- MIT Electric Aircraft Initiative
- Power Electronics Research Group 15s MIT Research Laboratory of Electronic
- Другие видео от инициативы MIT Electric Aircraft Initiative
- Факультет аэронавтики и астронавтики
- Инженерная школа
Что вызывает ионный ветер?
(Вверху слева) Изображение плазменной струи в непрерывном режиме и (внизу слева) составное изображение изображений с наносекундным разрешением.
(Справа) Шлирен-фотографии траектории газового потока с плазменной струей и без нее. Кредит: Парк и др. Опубликовано в Nature Communications Явление ионного ветра известно уже несколько столетий: при подаче напряжения на пару электродов электроны отрываются от близлежащих молекул воздуха, и ионизированный воздух сталкивается с нейтральными молекулами воздуха при движении от одного электрода к другому. Эффект достаточно легко произвести, поэтому он часто появляется на научных ярмарках и может даже иметь будущее в двигателях космических кораблей. Однако, что именно вызывает ионный ветер, до сих пор остается открытым вопросом.
В новой статье, опубликованной в Nature Communications , группа исследователей из Южной Кореи и Словении экспериментально исследовала, как возникает ионный ветер, когда заряженные частицы сталкиваются с нейтральными частицами. Одним из их основных выводов является то, что электроны, а не только ионы, играют важную роль в создании ионного ветра, что побудило их назвать эффект «электрическим ветром».
«Вообще, электрический ветер называют «ионным ветром», потому что только положительные и отрицательные ионы считаются ключевыми игроками», — сказал соавтор Вонхо Чо, профессор Корейского передового института науки и технологий.0178 Phys.org
В своих экспериментах исследователи генерировали поток нейтрального гелия и импульсную струю плазмы при различных напряжениях. Затем они использовали технику, называемую шлирен-фотографией (которая часто используется для фотографирования самолетов в полете), чтобы сфотографировать потоки этих частиц.
Так как это первый эксперимент, ясно демонстрирующий связь между нейтральными и заряженными частицами в плазме, результаты дают прямое свидетельство того, что происходит, когда электроны и ионы отталкивают нейтральные частицы. Результирующая передача импульса вызывает сопротивление заряженных частиц, которое создает электрогидродинамическую силу (вызванную заряженными частицами), что приводит к четко наблюдаемому ветру заряженных частиц.
«Раньше считалось, что электрический ветер является результатом передачи импульса при столкновении от ускоренных заряженных частиц и нейтральных частиц, основываясь на эвристических наблюдениях и экспериментах», — сказал Чоу. «Однако, как упоминалось в нашей статье, не было убедительных доказательств относительно основного механизма (корреляция между плазмой и передачей импульса) для генерации электрического ветра, который создается либо во время «распространения стримера (волны ионизации)», либо «дрейф космического заряда».
Результаты должны привести к лучшему пониманию взаимодействия между заряженными и нейтральными частицами в различных ситуациях и иметь потенциальное применение в таких областях, как техника управления потоком.
«Наши результаты могут найти применение для снижения силы сопротивления на транспортном средстве, что приведет к снижению расхода топлива и оксидов азота, которые являются загрязнителем окружающей среды и одним из основных источников микропыли», — сказал Чоу. «Это также может уменьшить разделение потока на лопастях ветряных турбин».
Исследователи также планируют изучить возможные применения плазмы.
«Одной из недавних интересных тем в плазменном сообществе является селективный контроль химического производства с помощью низкотемпературной воздушной плазмы», — сказал Чоу.
