Οι ηλεκτροστατικές δυνάμεις επιτρέπουν την ενεργοποίηση χαμηλής τάσης χωρίς να βασίζονται σε υλικά σπάνιων γαιών.
Οι ηλεκτρικοί κινητήρες
Σχεδόν κάθε ηλεκτρικός κινητήρας στη σύγχρονη ζωή, από τον ανεμιστήρα στο γραφείο σας μέχρι τον κινητήρα ενός ηλεκτρικού οχήματος, βασίζεται στον μαγνητισμό. Για περισσότερο από έναν αιώνα, τα μαγνητικά πεδία κυριαρχούν στο σχεδιασμό κινητήρων, επειδή οι ηλεκτροστατικές δυνάμεις θεωρούνταν πολύ ασθενείς για πρακτικές μηχανές.
Αυτή η υπόθεση αμφισβητείται τώρα από μια εκπληκτική κατηγορία υλικών γνωστή ως σιδηροηλεκτρικά ρευστά. Αυτά τα ασυνήθιστα υγρά αντιδρούν εξαιρετικά έντονα στα ηλεκτρικά πεδία, αποκαλύπτοντας φαινόμενα που οι επιστήμονες κάποτε απέρριπταν ως πολύ μικρά για να έχουν σημασία.
Οι περισσότεροι άνθρωποι σκέφτονται ότι ο ηλεκτρισμός δημιουργεί κίνηση μέσω της έλξης μεταξύ αντίθετων φορτίων. Ενώ αυτή η ηλεκτροστατική δύναμη υπάρχει, γενικά δεν έχει την ισχύ που απαιτείται για την τροφοδοσία καθημερινών μηχανών. Ως αποτέλεσμα, οι μηχανικοί στράφηκαν σε ηλεκτρομαγνητικούς κινητήρες, οι οποίοι χρησιμοποιούν ηλεκτρισμό για να παράγουν μαγνητικά πεδία που παράγουν περιστροφική κίνηση.
Αλλά τα ηλεκτρικά πεδία μπορούν να κάνουν περισσότερα από το να έλκουν. Μπορούν επίσης να δημιουργήσουν μια ανεπαίσθητη πλευρική δύναμη που δρα κάθετα στην εφαρμοζόμενη τάση. Στα συνηθισμένα υλικά, αυτό το φαινόμενο είναι τόσο ασθενές που έχει προσελκύσει λίγη προσοχή. Νέα πειράματα υποδηλώνουν ότι στα σιδηροηλεκτρικά ρευστά, ωστόσο, η δύναμη μπορεί να γίνει εκπληκτικά ισχυρή, αρκετά ισχυρή ώστε να κινεί το υγρό ενάντια στη βαρύτητα και ακόμη και να κινεί έναν πρωτότυπο κινητήρα χωρίς μαγνήτες ή μεταλλικούς ρότορες.
Γιατί αυτό έχει σημασία
Η βασική πρόοδος σε αυτήν την έρευνα είναι ότι δείχνει πειραματικά ότι αυτή η παραβλεπόμενη πλευρική ηλεκτροστατική δύναμη μπορεί να γίνει απροσδόκητα ισχυρή υπό τις κατάλληλες συνθήκες.
Ο Ειδικά Διορισμένος Καθηγητής Suzushi Nishimura και η ομάδα του στο Ινστιτούτο Επιστημών του Τόκιο (Science Tokyo) μελέτησαν σιδηροηλεκτρικά ρευστά και εξέτασαν πιο προσεκτικά την πλευρική δύναμη. Τοποθέτησαν το υγρό ανάμεσα σε δύο ηλεκτρόδια που απείχαν μόνο λίγα χιλιοστά μεταξύ τους και στη συνέχεια εφάρμοσαν τάση. Το αποτέλεσμα ήταν σαφές: το υγρό κινήθηκε πλευρικά κατά σχεδόν 10 εκατοστά, ακόμη και ενώ λειτουργούσε ενάντια στη βαρύτητα. Τα συμβατικά υγρά που δοκιμάστηκαν στην ίδια διάταξη δεν κινήθηκαν με αυτόν τον τρόπο. Το φαινόμενο εμφανίστηκε μόνο στο σιδηροηλεκτρικό ρευστό.
Ο τρόπος με τον οποίο αυξανόταν η δύναμη ήταν επίσης ασυνήθιστος. Στα συνηθισμένα υλικά, η αύξηση της τάσης συνήθως δεν προκαλεί μεγάλη αύξηση της δύναμης. Με το σιδηροηλεκτρικό ρευστό, μια μικρή αύξηση της τάσης παρήγαγε μια αναλογική αύξηση της δύναμης. Ο ηλεκτρισμός συμπεριφέρεται με έναν θεμελιωδώς διαφορετικό τρόπο σε αυτό το υλικό.
Μια λεπτομερής ανάλυση έδειξε ότι το ηλεκτρικό πεδίο προκαλεί την ευθυγράμμιση των μορίων στο υγρό σε μια διατεταγμένη διάταξη, δημιουργώντας την πλευρική ώθηση. Αυτό το εύρημα οδήγησε σε ένα νέο ερώτημα: αν η δύναμη μπορεί να ωθήσει, θα μπορούσε επίσης να κάνει κάτι να περιστραφεί;
Χρησιμοποιώντας αυτήν την αρχή, η ομάδα κατασκεύασε έναν πρωτότυπο κινητήρα που δεν χρειάζεται μαγνήτες ή μεταλλικό ρότορα. Οι δοκιμές επιβεβαίωσαν ότι ο κινητήρας θα μπορούσε να περιστραφεί χρησιμοποιώντας αυτή τη νέα ελεγχόμενη δύναμη.
Τι ακολουθεί
Η ανακάλυψη διευρύνει τον τρόπο με τον οποίο μπορούν να σχεδιαστούν οι κινητήρες και τα συστήματα ενεργοποίησης. Οι περισσότεροι ηλεκτρομαγνητικοί κινητήρες σήμερα εξαρτώνται από μαγνήτες και χάλκινα πηνία. Αυτή η νέα προσέγγιση μπορεί να δημιουργήσει κίνηση χωρίς μαγνήτες ή σπάνιες γαίες, κάτι που θα μπορούσε να είναι πολύτιμο σε έναν κόσμο όπου οι υλικοί πόροι είναι περιορισμένοι.
Ο σχεδιασμός θα μπορούσε επίσης να είναι ελαφρύτερος και απλούστερος. Δεδομένου ότι το περιστρεφόμενο εξάρτημα μπορεί να κατασκευαστεί από ρητίνη αντί για μέταλλο, οι συσκευές μπορεί να γίνουν ελαφρύτερες και να ανταποκρίνονται ταχύτερα. Αυτό θα μπορούσε να βοηθήσει στη ρομποτική, σε συμπαγείς μηχανές και σε συστήματα ακριβείας.
Επειδή ο κινητήρας δεν εξαρτάται από μαγνητικά πεδία, μπορεί επίσης να λειτουργεί καλά σε μέρη όπου ο μαγνητικός θόρυβος προκαλεί προβλήματα, συμπεριλαμβανομένου του ιατρικού εξοπλισμού και των συσκευών αποθήκευσης δεδομένων. Λειτουργεί επίσης σε πολύ χαμηλότερες τάσεις από τις συμβατικές ηλεκτροστατικές συσκευές, γεγονός που θα μπορούσε να τον κάνει ασφαλέστερο και πιο πρακτικό.
Σχόλιο από τον ερευνητή
«Τα πειράματά μας υπέδειξαν ότι ένας ρότορας κινητήρα μπορεί να μην χρειάζεται πλέον να είναι κατασκευασμένος από μέταλλο. Αυτή η ιδέα φαινόταν δύσκολο να γίνει αποδεκτή στην αρχή. Αλλά όταν εμπιστευτήκαμε τα δεδομένα και κατασκευάσαμε έναν ρότορα εξ ολοκλήρου από πλαστικό, πραγματικά περιστράφηκε», λέει ο Suzushi Nishimura.
Καταλήγει: «Αυτή η δύναμη είχε θεωρητικά προβλεφθεί πριν από περισσότερα από 100 χρόνια, αλλά κανείς δεν την είχε δει άμεσα με γυμνό μάτι. Το να είσαι ο πρώτος που την παρατήρησε ήταν μια απίστευτα συναρπαστική στιγμή. Αυτή είναι μια από τις μεγάλες ανταμοιβές του να είσαι ερευνητής. Η επιστήμη είναι διασκεδαστική!»
www.worldenergynews.gr
