Tym razem zamiast walczyć o lepsze magnesy, inżynierowie spróbowali zbudować napęd na zjawisku, które przez lata było uznawane za zbyt słabe, by miało sens. Zamiast walczyć o lepsze magnesy, spróbowali zbudować napęd na zjawisku, które przez lata było uznawane za zbyt słabe, by miało sens.
Ten materiał odblokowuje potencjał repulsji Maxwella
W tej pracy naukowej punktem wyjścia jest tak zwana siła poprzeczna wynikająca z równań Maxwella. W uproszczeniu chodzi dokładnie o to, że pole elektryczne nie tylko “ciągnie” wzdłuż kierunku między elektrodami, ale potrafi też wytwarzać efekt działający prostopadle do tego kierunku. Problem polega na tym, że w zwykłych dielektrykach ten komponent jest praktycznie bezużyteczny, a dodatkowo geometrycznie przegrywa z klasycznym przyciąganiem, bo atrakcyjna siła rośnie z powierzchnią elektrod, a poprzeczna w dużej mierze z ich krawędziami, więc przy małych szczelinach robi się dysproporcja. Autorzy nowej pracy opisują to wprost, tłumacząc, dlaczego “repulsja” Maxwella przez dekady nie była traktowana jako coś, na czym da się budować urządzenia.
Czytaj też: Koniec z paskudnym paliwem. Amoniakowy silnik przechodzi próbę ognia
Tu wchodzi jednak materiał, który psuje dotychczasowe rozumowanie. Zespół z Institute of Science Tokyo wykazał bowiem, że jeśli zamiast “zwykłej cieczy” użyje się ferroelektrycznego płynu (konkretnie ferrolektrycznej fazy nematycznej ciekłego kryształu), to poprzeczny efekt elektrostatyczny potrafi urosnąć do skali makroskopowej, a więc widocznej bez żadnych mikroskopów. Co więc dokładnie zrobili badacze? W praktyce zamknęli ferroelektryczny płyn między dwiema elektrodami oddalonymi o kilka milimetrów i przykładali napięcie stałe. W klasycznych cieczach nic spektakularnego się nie dzieje. W ferroelektrycznej mieszaninie DIO/DIO-CN pojawia się za to ruch “bokiem”, który w ich konfiguracji przekładał się na unoszenie się słupa cieczy między elektrodami. Dla szczeliny 2,5 mm i napięcia 80 V ciecz osiągnęła wysokość rzędu 10 cm, więc mówimy o skali, którą da się łatwo zauważyć.
Najciekawsze jest to, jak ta siła rośnie. W typowych materiałach dielektrycznych efekty elektrostatyczne często skalują się kwadratowo z napięciem lub polem. Oznacza to tyle, że kiedy podnosimy napięcie trochę, a siła rośnie nierówno, to w praktyce szybko wpadamy w ograniczenia przebicia elektrycznego. W ferroelektryku opisanym w pracy zależność w pewnym zakresie wygląda inaczej, bo oto siła rośnie proporcjonalnie do przyłożonego napięcia, co autorzy wiążą z tym, że polaryzacja w ferroelektryku nie musi zachowywać się jak “grzeczny” kondensator zależny liniowo od pola. Oznacza to, że materiał daje się sterować bardziej przewidywalnie i bez natychmiastowego uciekania w kilowolty.
No dobrze, ale gdzie tu “silnik”?
W pewnym momencie zespół zrobił krok, który bywa zdradliwy w nauce: wziął efekt z demonstracji i spróbował zamienić go w zasadę konstrukcyjną. Skoro ciecz potrafi pchać, to czy da się ją zmusić do tego, by generowała cykliczny ruch i moment obrotowy? W ich projekcie wirnik nie jest metalowy i nie musi być pod napięciem. To kluczowa różnica względem wielu elektrostatycznych koncepcji, gdzie ruchoma część musi “nosić” potencjał, co komplikuje konstrukcję (szczotki, pierścienie ślizgowe, ryzyko zwarć).
Czytaj też: Sekret Hurricane 4. Co kryje jeden z najpotężniejszych silników czterocylindrowych w historii?
W tym eksperymencie wirnik może być z żywicy, bo siła działa na granicy wirnik-ferroelektryczny płyn, a elektrodami steruje się po stronie stojana. W prototypie pokazanym w publikacji zastosowano wielobiegunowy układ stojana i wirnika, a napęd realizowano sygnałem 3-fazowym o amplitudzie 0-60 V. Klasyczne elektrostatyczne silniki badane wcześniej potrzebowały pól rzędu dziesiątek do setek MV/m, a tu rotację potwierdzono przy polu około 0,03 MV/m.
Do rewolucji daleko, bo diabeł tkwi w szczegółach
Problemy tego typu rozwiązanie nie są niemałe. Po pierwsze, materiał działa w określonym oknie temperaturowym. DIO/DIO-CN ma ferrolektryczną fazę nematyczną w zakresie mniej więcej 22-52°C, a eksperymenty prowadzono przy kontrolowanej temperaturze około 46-48°C. Po drugie, publikacja pokazuje, że efekt jest skalowalny do pewnego stopnia i da się go mierzyć jako siłę działającą na element z żywicy, ale nie to rozwiązuje automatycznie pytania o gęstość mocy, sprawność i trwałość w długim czasie.
Ferroelektryczne płyny to nie olej silikonowy. Są wrażliwe na zanieczyszczenia, geometrię elektrod, warunki brzegowe i prawdopodobnie na starzenie w polu elektrycznym. To są problemy, które w elektromagnetycznych silnikach mamy w dużej mierze rozpoznane, a tutaj dopiero zaczęły istnieć. Po trzecie, nawet jeśli “brak magnesów” brzmi jak rozwiązanie problemów z pierwiastkami ziem rzadkich, to w praktyce nie wiemy jeszcze, jakie będą koszty i dostępność samych ferroelektrycznych mieszanin ciekłokrystalicznych, jak wygląda ich produkcja na skalę przemysłową i czy da się je zamknąć w urządzeniach pracujących latami.
Czytaj też: Mazda nie odpuszcza spalinowego silnika. Nowy Skyactiv-Z będzie początkiem zmian
Mimo tych znaków zapytania, pomysł ma sens w bardzo konkretnych niszach, bo wszędzie tam, gdzie istnieje potrzeba napędu, gdzie pole magnetyczne jest kłopotem. W grę wchodzi aparatura medyczna, wrażliwe czujniki czy pewne środowiska laboratoryjne.
