Двигатель извлечения поля наночастиц

Двигатель наночастиц с извлечением поля 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 могут либо содержаться в баках, либо изготавливаться в полете. Изменяя размер этих частиц, nanoFET может изменять свою топливную эффективность ( удельный импульс ), а следовательно, и величину выходной тяги, сохраняя при этом высокую энергоэффективность. Эта регулируемость дает nanoFET эксплуатационные характеристики всех электрических двигателей в одном. Как и другие электрические двигательные системы, nanoFET не предназначен для работы внутри атмосферы Земли, а предназначен для работы на орбите и в глубоком космосе. ^[2]

Принцип

Регулируемая сила и удельный импульс nanoFET делают его чрезвычайно универсальным. Он может производить большую тягу, используя меньше энергии и топлива, чем любая другая электронная система тяги. ^[3] Кроме того, в системе в целом не накапливается заряд; любой отрицательный заряд, накопленный на одной зарядной площадке, аннулируется положительным зарядом, накопленным на другой. Высокий уровень интеграции с его топливными контейнерами делает его чрезвычайно компактным и простым для размещения на космическом корабле. ^[4] К сожалению, как и все другие электронные двигатели, он не производит и близко такого количества тяги, которое производят современные химические ракеты (несколько сотен ньютонов по сравнению с ~15 миллионами ньютонов). ^[3]^[5] Хотя тот факт, что ему не нужно несколько миллионов фунтов топлива, значительно компенсирует эту разницу в мощности, в своей нынешней форме nanoFET не подходят для наземных запусков.

Нанотранзистор работает довольно просто. Он состоит из трех основных частей: области хранения частиц, зарядной площадки и ускоряющей сетки. Для начала он транспортирует цилиндрические частицы к зарядной площадке, которая затем накладывает заряд на частицы. По мере того, как частица получает заряд, сила тяги от ускоряющей сетки увеличивается. В конце концов, эта сила тяги пересиливает электромагнитные и поверхностные силы сцепления между частицами и зарядной площадкой. Теперь частица начинает ускоряться по направлению к ускоряющей сетке, пока не вылетит из нанотранзистора, в результате чего нанотранзистор выталкивается в противоположном направлении.

Существует два типа nanoFET: сухой nanoFET и «обычный» мокрый nanoFET. Префикс относится к их методу транспортировки частиц, мокрый nanoFET использует жидкость, а сухой — нет.

Мокрый NanoFET

Большинство прототипов и испытаний до сих пор были сделаны на мокром нанотранзисторе. Эта конструкция использует низкое поверхностное натяжение, низкую вязкость и непроводящую жидкость для транспортировки и/или хранения цилиндрических частиц. Эти частицы представляют собой углеродные нанотрубки размером от 1 нм до 100 нм. ^[3] Проблемы с этой конструкцией включают в себя возможность образования коллоидов , испарение жидкости в пространстве и увеличение пространства и веса.

Сухой NanoFET

Этот вариант выглядит лучше, чем wet-nanoFET, поскольку у него нет проблем с жидкостью, присущих wet-nanoFET. К сожалению, было опубликовано не так много информации о том, как ему удается транспортировать частицы к зарядной площадке. Попав на зарядную площадку, он использует пьезоэлектрический слой, чтобы заставить частицы двигаться и оторвать их от зарядной площадки. Это разрушает силу сцепления и значительно снижает их притяжение к зарядной площадке, позволяя ускоряющей сетке начать вытягивать их. ^{[ необходима цитата ]}

Вызовы

Как можно себе представить, при проектировании nanoFET возникло множество проблем. Одной из главных была проблема транспортировки частиц к зарядной площадке. Хотя жидкость является самым простым способом транспортировки частиц, она может образовывать крошечные конусы ( конусы Тейлора ) и заряженные капли ( коллоиды ), которые серьезно влияют на способность nanoFET точно настраивать свою тягу. Первоначально было обнаружено, что непроводящие жидкости с низким поверхностным натяжением и вязкостью , такие как силиконовое масло 100 сСт , способны выдерживать большое электромагнитное поле без образования коллоидов. Позже были разработаны прототипы, использующие сухие механизмы для транспортировки частиц. Эти конфигурации сухого nanoFET используют электронно-активируемые материалы ( пьезоэлектрики ) для разрушения поверхностного натяжения и приведения частиц в движение. ^[6]

Аналогично, сферические частицы использовались в ранних прототипах, но позже были заменены цилиндрическими частицами. Это в основном потому, что цилиндрические частицы получают гораздо больше заряда, чем сферические частицы, поскольку они стоят на конце, когда заряжаются. Учитывая также, что цилиндры легче проникают в поверхность жидкости и берут с собой меньше жидкости, они являются идеальной формой для нанотранзистора. Эти свойства позволяют извлекать цилиндрические наночастицы, тогда как самые маленькие извлекаемые сферы имеют порядок миллиметров. ^[3]

Ссылки

^ Boysen, E. & Muir, NC (2011) Нанотехнологии для чайников. 2-е изд., стр. 172., Для чайников, ISBN 1-118-13686-1 . Получено в июле 2011 г.
^ Дренков, Бриттани Д.; Томас М. Лю; Джон Л. Белл; Майк X. Хуан; и др. (2009). «Разработка испытательного стенда с пониженной гравитацией для двигателя с извлечением поля наночастиц» (PDF) . Получено 7 февраля 2012 г. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
^ abcd Louis, Musinski; Thomas Liu; Brian Gilchrist; Alec D. Gallimore ; et al. (2007). "Экспериментальные результаты и достижения в моделировании в исследовании двигателя с извлечением поля наночастиц" . Получено 7 мая 2016 г. . {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |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}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
^ Брайан, Маршалл. "Thrust". Как работают ракетные двигатели . Получено 12 февраля 2012 г.
^ Лю, Томас М.; Бриттани Д. Дренков; Луис Д. Мусински; Алек Д. Галлимор и др. (2008). «Прогресс в разработке двигателя с извлечением поля наночастиц» (PDF) . {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )

Внешние ссылки

Модель NanoFET
Статья в журнале Discover

[1] Boysen, E. & Muir, NC (2011) Нанотехнологии для чайников. 2-е изд., стр. 172., Для чайников, ISBN 1-118-13686-1 . Получено в июле 2011 г.

[Developing_a_Testbed_2009-2] Дренков, Бриттани Д.; Томас М. Лю; Джон Л. Белл; Майк X. Хуан; и др. (2009). «Разработка испытательного стенда с пониженной гравитацией для двигателя с извлечением поля наночастиц» (PDF) . Получено 7 февраля 2012 г. {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )

[Experimental_Results_and_Modeling_Advances_in_the_Study_of_the_NanoFET-3] Louis, Musinski; Thomas Liu; Brian Gilchrist; Alec D. Gallimore ; et al. (2007). "Экспериментальные результаты и достижения в моделировании в исследовании двигателя с извлечением поля наночастиц" . Получено 7 мая 2016 г. . {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |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}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )

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

[Developmental_Progress_of_the_Nanoparticle_2008-6] Лю, Томас М.; Бриттани Д. Дренков; Луис Д. Мусински; Алек Д. Галлимор и др. (2008). «Прогресс в разработке двигателя с извлечением поля наночастиц» (PDF) . {{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )