Двигатель с извлечением поля наночастиц

Двигатель с извлечением поля наночастиц или NanoFET — это экспериментальный высокоскоростной двигатель космического корабля, разрабатываемый Мичиганским университетом . ^{[ 1 ]} Он обеспечивает тягу, испуская заряженные частицы. Эти частицы представляют собой цилиндрические углеродные нанотрубки , которые можно либо содержать в резервуарах, либо изготавливать в полете. Изменяя размер этих частиц, nanoFET может изменять свою топливную эффективность ( удельный импульс ) и, следовательно, величину выходной тяги, сохраняя при этом высокую энергоэффективность. Эта возможность регулировки дает nanoFET рабочие характеристики всех электрических двигателей в одном. Как и другие электрические двигательные установки, nanoFET не предназначен для работы в атмосфере Земли, а предназначен для работы на орбите и в глубоком космосе. ^{[ 2 ]}

Принцип

Регулируемая сила и удельный импульс nanoFET делают его чрезвычайно универсальным. Она может создавать большую тягу, используя при этом меньше энергии и топлива, чем любая другая электронная система тяги. ^{[ 3 ]} Кроме того, внутри системы в целом не накапливается никаких зарядов; любой отрицательный заряд, накопленный на одной зарядной площадке, компенсируется положительным зарядом, накопленным на другой. Высокий уровень интеграции с топливными контейнерами делает его чрезвычайно компактным и простым в размещении на космическом корабле. ^{[ 4 ]} К сожалению, как и все другие электронные двигатели, он не производит даже близко той тяги, которую производят нынешние химические ракеты (несколько сотен Ньютонов по сравнению с ~15 миллионами Ньютонов). ^{[ 3 ]}^{[ 5 ]} Хотя тот факт, что ему не нужно несколько миллионов фунтов топлива, существенно компенсирует эту разницу в мощности, в своем нынешнем виде нано-транзисторы не подходят для запусков с земли.

NaFET работает довольно просто. Он состоит из трёх основных частей: зоны хранения частиц, зарядной площадки и решётки ускорения. Сначала он транспортирует цилиндрические частицы на зарядную площадку, которая затем заряжает частицы. По мере того, как частица набирает заряд, сила притяжения со стороны ускоряющей сетки увеличивается. В конце концов, эта тянущая сила превосходит электромагнитные силы и силы поверхностного сцепления между частицами и зарядной площадкой. Теперь частица начинает ускоряться по направлению к сетке ускорения, пока не вылетит из нанополевого транзистора, тем самым толкая нанополевой транзистор в противоположном направлении.

Существует два типа нано-транзисторов: сухой нано-транзистор и «нормальный» мокрый нано-транзистор. Приставка относится к их методу транспортировки частиц: в мокром нанополевом транзисторе используется жидкость, а в сухом — нет.

Мокрый-NanoFET

Большинство прототипов и испытаний до сих пор проводились на мокрых нанотранзисторах. В этой конструкции используется непроводящая жидкость с низким поверхностным натяжением, низкой вязкостью для транспортировки и/или хранения цилиндрических частиц. Эти частицы представляют собой углеродные нанотрубки размером от 1 до 100 нм. ^{[ 3 ]} Проблемы с этой конструкцией связаны с возможностью образования коллоидов , испарением жидкости в космосе, а также увеличением пространства и веса.

Сухой-NanoFET

Этот вариант выглядит лучше, чем мокрый нано-транзистор, поскольку у него нет проблем с жидкостями, присущих мокрому нано-транзистору. К сожалению, не так много информации было опубликовано о том, как ему удается транспортировать частицы на зарядную площадку. Оказавшись на зарядной площадке, он использует пьезоэлектрический слой, чтобы заставить частицы двигаться и удалить их с зарядной площадки. Это нарушает силу сцепления и значительно уменьшает их притяжение к зарядной площадке, позволяя ускоряющей решетке начать вытягивать их. ^{[ нужна ссылка ]}

Проблемы

Как можно себе представить, при разработке нанополевого транзистора возникло множество проблем. Одним из главных был способ транспортировки частиц на зарядную площадку. Хотя жидкость является самым простым способом транспортировки частиц, она может образовывать крошечные конусы ( конусы Тейлора ) и заряженные капли ( коллоиды ), что серьезно влияет на способность нанополевых транзисторов точно настраивать свою тягу. Первоначально было обнаружено, что непроводящие жидкости с низким поверхностным натяжением и вязкостью , такие как силиконовое масло вязкостью 100 сСт , способны выдерживать большие электромагнитные поля, не образуя коллоидов. Позже были разработаны прототипы, использующие сухие механизмы для транспортировки частиц. В этих конфигурациях сухих нанополевых транзисторов используются материалы с электронным управлением ( пьезоэлектрики ), чтобы преодолеть поверхностное натяжение и заставить частицы двигаться. ^{[ 6 ]}

Аналогичным образом, сферические частицы использовались в ранних прототипах, но позже были заменены цилиндрическими частицами. Это происходит главным образом потому, что цилиндрические частицы приобретают гораздо больший заряд, чем сферические частицы, поскольку при заряде они стоят дыбом. Учитывая также, что цилиндры легче проникают в поверхность жидкости и забирают с собой меньше жидкости, они представляют собой идеальную форму для нано-транзистора. Эти свойства позволяют извлекать цилиндрические наночастицы, тогда как мельчайшие извлекаемые сферы имеют размеры порядка миллиметров. ^{[ 3 ]}

Ссылки

^ Бойсен, Э. и Мьюир, Северная Каролина (2011) Нанотехнологии для чайников. 2 изд., с.172. , Для чайников, ISBN 1-118-13686-1 . Проверено в июле 2011 г.
^ Дренков, Бриттани Д.; Томас М. Лю; Джон Л. Белл; Майк X. Хуанг; и др. (2009). «Разработка испытательного стенда пониженной гравитации для двигателя с извлечением поля наночастиц» (PDF) . Проверено 7 февраля 2012 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Луи, Мусински; Томас Лю; Брайан Гилкрист; Алек Д. Галлимор ; и др. (2007). «Результаты экспериментов и достижения в моделировании в исследовании двигателя с извлечением поля наночастиц» . Проверено 7 мая 2016 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Лю, Томас М.; Майкл Кейдар; Луи Д. Мусински; Алек Д. Галлимор ; и др. (2006). «Теоретические аспекты электрического движения наночастиц» (PDF) . Проверено 2 февраля 2012 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )
^ Брайан, Маршалл. "Толкать" . Как работают ракетные двигатели . Проверено 12 февраля 2012 г.
^ Лю, Томас М.; Бриттани Д. Дренкоу; Луи Д. Мусински; Алек Д. Галлимор; и др. (2008). «Прогресс в разработке двигателя с извлечением поля наночастиц» (PDF) . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

Внешние ссылки

[1] Бойсен, Э. и Мьюир, Северная Каролина (2011) Нанотехнологии для чайников. 2 изд., с.172. , Для чайников, ISBN 1-118-13686-1 . Проверено в июле 2011 г.

[Developing_a_Testbed_2009-2] Дренков, Бриттани Д.; Томас М. Лю; Джон Л. Белл; Майк X. Хуанг; и др. (2009). «Разработка испытательного стенда пониженной гравитации для двигателя с извлечением поля наночастиц» (PDF) . Проверено 7 февраля 2012 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[Experimental_Results_and_Modeling_Advances_in_the_Study_of_the_NanoFET-3] Перейти обратно: ^а ^б ^с ^д Луи, Мусински; Томас Лю; Брайан Гилкрист; Алек Д. Галлимор ; и др. (2007). «Результаты экспериментов и достижения в моделировании в исследовании двигателя с извлечением поля наночастиц» . Проверено 7 мая 2016 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[Theoretical_Aspects_of_Nanoparticle_Electric_Propulsion-4] Лю, Томас М.; Майкл Кейдар; Луи Д. Мусински; Алек Д. Галлимор ; и др. (2006). «Теоретические аспекты электрического движения наночастиц» (PDF) . Проверено 2 февраля 2012 г. {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[Chem_rocket_thrust-5] Брайан, Маршалл. "Толкать" . Как работают ракетные двигатели . Проверено 12 февраля 2012 г.

[Developmental_Progress_of_the_Nanoparticle_2008-6] Лю, Томас М.; Бриттани Д. Дренкоу; Луи Д. Мусински; Алек Д. Галлимор; и др. (2008). «Прогресс в разработке двигателя с извлечением поля наночастиц» (PDF) . {{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется |journal= ( помощь )

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]