Zbudowali silnik z kryształów i żywicy. Napędza go siła znana od 100 lat
Silnik elektryczny w dużym uproszczeniu składa się z miedzi, magnesów i metalowego wirnika. Prąd płynie przez uzwojenia, wytwarza pole magnetyczne, a ono wprawia wirnik w ruch obrotowy. Ta zasada działa w przypadku samochodów elektrycznych, pralek i innych urządzeń od ponad stu lat. Tyle że magnesy wymagają metali ziem rzadkich, takich jak neodym czy dysproz, których wydobycie jest drogie i skoncentrowane w kilku krajach, a miedzi na rynku jest coraz mniej.
W skrócie
- Naukowcy z Institute of Science Tokyo zbudowali prototyp silnika wykorzystujący ciekłe kryształy i wirnik z żywicy, eliminując potrzebę użycia metali ziem rzadkich i miedzi.
- Prototypowy silnik wykorzystuje poprzeczną siłę Maxwella, która została teoretycznie opisana ponad sto lat temu i była dotąd uznawana za zbyt słabą do zastosowań praktycznych.
- Opracowana konstrukcja wymaga utrzymania ferroelektrycznej cieczy w określonej temperaturze i obecnie nie nadaje się do napędu pojazdów, lecz może znaleźć zastosowanie w sprzęcie medycznym lub nośnikach danych.
- Więcej podobnych informacji znajdziesz na stronie głównej serwisu
Naukowcy z Institute of Science Tokyo zbudowali prototyp silnika, który obchodzi się bez tych wszystkich materiałów. Zamiast metalu i magnesów zastosowali ciekłe kryształy i wirnik wydrukowany z żywicy. Silnik napędza siła, którą fizycy opisali już ponad sto lat temu, ale przez dotąd uważali za zbyt słabą, żeby miała jakiekolwiek zastosowanie.
Co to jest siła Maxwella?
Gdy między dwiema elektrodami dodane zostanie napięcie, powstaje pole elektryczne. To pole wytwarza nie tylko siłę przyciągającą między płytkami, ale też siłę działającą w bok, prostopadle do kierunku pola. Tę tak zwaną poprzeczną siłę Maxwella opisano teoretycznie jeszcze w XIX wieku. Elektrostatyczne silniki - wykorzystujące pole elektryczne zamiast magnetycznego - nie są zresztą nowym pomysłem. Już w latach 40. XVIII wieku eksperymentowali z nimi szkocki fizyk Andrew Gordon i później Benjamin Franklin, ale ich konstrukcje opierały się na sile przyciągania i wymagały bardzo wysokich napięć.
Niewiele zmieniło się przez kolejne dwieście lat. Amerykański startup C-Motive Technologies z Wisconsin pracuje nad elektrostatycznymi silnikami z aluminiowymi tarczami, które testują firmy takie jak FedEx czy Rockwell Automation, ale i te konstrukcje wykorzystują siłę przyciągania między naładowanymi płytkami i potrzebują napięć rzędu dziesiątek megawoltów na metr.
Silnik, który wykorzystuje ciekłe kryształy
Przełom nastąpił w 2017 roku, gdy dwie niezależne grupy badawcze odkryły nowy rodzaj materiału - tak zwane polarne nematyczne ciekłe kryształy. Są płynne, ale reagują na pole elektryczne tysiące razy silniej niż zwykłe materiały dielektryczne. Ich względna przenikalność elektryczna przekracza 10 tys., podczas gdy konwencjonalne materiały osiągają wartości od 1 do 10.
Zespół profesora Suzushiego Nishimury z Institute of Science Tokyo umieścił takie ferroelektryczne ciekłe kryształy między dwiema elektrodami oddalonymi o 2,5 mm i przyłożył napięcie stałe na poziomie zaledwie 80 V. Ciecz została wypchnięta w bok i zaczęła wspinać się w górę między elektrodami - do wysokości 10 cm, wbrew grawitacji. Zmierzona siła była około tysiąc razy większa niż w przypadku zwykłych materiałów dielektrycznych. Dla porównania - ani olej silikonowy, ani konwencjonalne ciekłe kryształy nie wykazały w tych samych warunkach żadnego ruchu.
"Ta siła została przewidziana teoretycznie ponad sto lat temu, ale nikt nigdy nie zaobserwował jej gołym okiem. Bycie pierwszymi, którzy mogli to zobaczyć, było naprawdę ekscytującym momentem" - powiedział kierujący badaniami profesor Suzushi Nishimura.
Równie istotne okazało się to, jak siła skaluje się z napięciem. W zwykłych materiałach rośnie ona z kwadratem napięcia - żeby uzyskać odczuwalnie więcej siły, trzeba znacząco podnieść napięcie. W ferroelektrycznej cieczy zależność jest liniowa - niewielki wzrost napięcia przekłada się wprost proporcjonalnie na wzrost siły.
Jak działa silnik z kryształów i żywicy?
Skoro ciecz daje się przesuwać w bok, to da się też nią obracać wirnik. Z tego rozumowania narodził się prototyp. Zespół Nishimury zbudował silnik ze statorem złożonym z trzech par elektrod i wirnikiem wykonanym całkowicie z żywicy syntetycznej. Gdy wirnik jest szerszy niż pojedyncza elektroda, poprzeczna siła działa tylko po jednej stronie i popycha go w określonym kierunku. Sekwencyjne podawanie napięcia na kolejne pary elektrod - na zasadzie podobnej do silnika trójfazowego, ale bez pola magnetycznego - generuje ciągły ruch obrotowy.
"Nasze eksperymenty wskazywały, że wirnik silnika nie musi już być metalowy. Brzmiało to początkowo niewiarygodnie. Ale gdy zaufaliśmy danym i zbudowaliśmy wirnik całkowicie z tworzywa sztucznego, naprawdę zaczął działać", potwierdził Nishimura.
Wymagana natężenie pola wyniosło zaledwie 0,03 MV/m - około tysiąc razy mniej niż w dotychczasowych silnikach elektrostatycznych, które potrzebują kilkudziesięciu do stu MV/m. Silnik obraca się równomiernie i cicho, sterowany napięciami w zakresie 0-60 V.
Czy silnik z ciekłych kryształów trafi do samochodów?
Na razie nie. Prototyp jest miniaturowy, a ferroelektryczna ciecz musi być utrzymywana w temperaturze 46-48 stopni Celsjusza, co samo w sobie pochłania energię. Badacze nie podali jeszcze danych o momencie obrotowym ani mocy - a bez tych liczb trudno mówić o zastosowaniu go do napędu czegokolwiek.
Konstrukcja ma jednak cechy, które mogą okazać się wartościowe gdzie indziej - na przykład w przypadku sprzętu medycznego czy nośników danych. Ogromną zaletą jest to, że nie wymaga metali ziem rzadkich ani miedzi, a wirnik z tworzywa sztucznego można teoretycznie wydrukować w drukarce 3D.
