211service.com
Nye herkuliske materialer
Flyvinger eller helikopterrotorer lavet af materialer, der kan ændre deres form som reaktion på elektriske kontroller, har længe været en drøm for luftfartsingeniører. Det er en applikation, der markant ville forbedre flyets ydeevne og brændstofeffektivitet. Men det rigtige formskiftende materiale til at få det til at ske, har vist sig at være uhåndgribeligt.
Nu har forskere ved MIT opdaget en lovende tilgang, der udnytter den mekanisme, der i sidste ende vil få din bærbare computers batteri til at svigte : udvidelsen og sammentrækningen af elektrodematerialer i batteriet. Dette er et klassisk tilfælde af at tage citroner og lave limonade, siger Endnu-Ming Chiang , en materialevidenskab og ingeniørprofessor ved MIT, der arbejder på projektet. Artikler, der beskriver arbejdet, vil blive vist i kommende udgaver af Avancerede funktionelle materialer og Elektrokemiske og Solid State Letters .
Meget af den tidligere forskning i form-morphing materialer har involveret piezoelektrik, materialer, der ændrer form som reaktion på elektricitet. Men Chiang siger, at han for længe siden besluttede, at piezoelektrik ikke ville fungere til så strenge applikationer som morphing helikopterrotorer.
I årevis har forskere inden for det beslægtede område af batterier stået over for det problem, at når ioner bevæger sig fra en elektrode til en anden, når batteriet oplades, får de elektrodematerialet til at udvide sig og derefter trække sig sammen igen, når batteriet aflades. Denne egenskab kan få batteriets indre struktur til at gå i stykker over tid; så forskere har ledt efter materialer, der ikke lider under effekten. Men da Chiang beregnede, hvor meget mekanisk energi denne udvidelse kunne involvere, fik han et øjebliks eufori. Og senere eksperimenter viste, at batterier har den mekaniske energi, der skal til for at flytte en belastning ti gange så langt som til piezoelektrik.
Batteriets ydeevne kommer dog med en afvejning: hastighed. Piezoelektrik kan nemt fungere med flere tusinde cyklusser i sekundet, siger Chiang. Men udvidelsen af batteriet er begrænset af, hvor lang tid det tager at oplade det. Afhængigt af hvor meget bevægelse der kræves, kan dette tage fra lidt over minut til en betragtelig brøkdel af en time, iflg. Steven Hall , en aeronautik- og astronautikprofessor ved MIT involveret i projektet. Forskerne håber at forbedre dette ved at reducere den tid, det tager at oplade et batteri.
Chiang arbejder også på at designe fysisk stærkere batterier, der bedre kan udnytte elektrodens mekaniske energi.
Men eksisterende kommercielt tilgængelige batterier er gode nok til at bygge en demonstrationsmodel, som forskerne håber at have klar i begyndelsen af næste år. Til sidst vil en række batterier blive sat ind i rotorbladet og brugt til selektivt at omforme det.
Sådan formskift vil give ingeniører mulighed for at undgå et kompromis, der har været kernen i helikopterdesign. Helikoptere er bygget til at gøre to meget forskellige ting – at svæve og krydse. Som følge heraf klarer de sig hverken særlig godt. At kunne ændre rotorformen under flyvning kunne optimere dem til disse to funktioner. Chiang og Hall beregner, at en helikopter så kunne operere med omkring en procent mindre brændstof, en besparelse, der kan stige betydeligt over tid. Alternativt kunne militærhelikoptere bære to ekstra tropper eller arbejde bedre i højhøjdeoperationer i bjergene.
Rotorer er måske også kun begyndelsen. Chiang og Hall peger på applikationer på fly, hvor skiftende vingeformer under flyvningen kunne medføre lignende forbedringer i ydeevne og effektivitet. De kan også være nyttige til aktivt at rotere solceller for at spore solen, eller til at installere solceller og andre vedhæng af satellitter, når de når rummet.