211service.com
Nya Herculean-material
Flygplansvingar eller helikopterrotorer gjorda av material som kan ändra form som svar på elektriska kontroller har länge varit en dröm för flygingenjörer. Det är en applikation som markant skulle förbättra prestandan och bränsleeffektiviteten hos flygplan. Men rätt formskiftande material för att få det att hända har visat sig svårfångat.
Nu har forskare vid MIT upptäckt ett lovande tillvägagångssätt som drar fördel av mekanismen som så småningom kommer att få din bärbara dators batteri att misslyckas : expansion och sammandragning av elektrodmaterial i batteriet. Det här är ett klassiskt fall av att ta citroner och göra lemonad, säger Ändå-Ming Chiang , en materialvetenskap och ingenjörsprofessor vid MIT som arbetar med projektet. Artiklar som beskriver arbetet kommer att dyka upp i kommande nummer av Avancerade funktionella material och Elektrokemiska och fasta tillståndsbrev .
Mycket av den tidigare forskningen om formformande material har involverat piezoelektrik, material som ändrar form som svar på elektricitet. Men Chiang säger att han för länge sedan bestämde sig för att piezoelektrik inte skulle fungera för så rigorösa tillämpningar som morphing helikopterrotorer.
I åratal har forskare inom det relaterade området batterier ställts inför problemet att när joner flyttas från en elektrod till en annan, när batteriet laddas, får de elektrodmaterialet att expandera och sedan dras ihop igen när batteriet laddas ur. Denna egenskap kan göra att batteriets inre struktur går isär med tiden; så forskare har letat efter material som inte lider av effekten. Men när Chiang beräknade hur mycket mekanisk energi denna expansion kunde innebära, fick han ett ögonblick av eufori. Och senare experiment visade att batterier har den mekaniska energi som behövs för att flytta en last tio gånger så långt som till piezoelektrik.
Batteriets prestanda kommer dock med en kompromiss: hastighet. Piezoelektrik kan lätt arbeta med flera tusen cykler per sekund, säger Chiang. Men utbyggnaden av batteriet begränsas av hur lång tid det tar att ladda det. Beroende på hur mycket rörelse som krävs kan detta ta från drygt en minut till en ansenlig bråkdel av en timme, enligt Steven Hall , en flyg- och astronautikprofessor vid MIT involverad i projektet. Forskarna hoppas kunna förbättra detta genom att minska tiden det tar att ladda ett batteri.
Chiang arbetar också med att designa fysiskt starkare batterier som bättre kan dra nytta av elektrodens mekaniska energi.
Men befintliga kommersiellt tillgängliga batterier är tillräckligt bra för att bygga en demonstrationsmodell, som forskarna hoppas ha klar i början av nästa år. Så småningom kommer en serie batterier att sättas in i rotorbladet och användas för att selektivt förvandla det.
Sådan formförändring kommer att tillåta ingenjörer att undvika en kompromiss som har varit kärnan i helikopterdesignen. Helikoptrar är byggda för att göra två väldigt olika saker – hovra och kryssa. Som ett resultat klarar de sig inte heller särskilt bra. Att kunna ändra rotorformen under flygning skulle kunna optimera dem för dessa två funktioner. Chiang och Hall beräknar att en helikopter då skulle kunna arbeta med ungefär en procent mindre bränsle, en besparing som kan läggas till avsevärt över tiden. Alternativt kan militärhelikoptrar bära ytterligare två trupper eller fungera bättre i höghöjdsoperationer i bergen.
Rotorer kan också bara vara början. Chiang och Hall pekar på tillämpningar på flygplan, där ändrade vingformer under flygning kan ge liknande förbättringar i prestanda och effektivitet. De kan också vara användbara för att aktivt rotera solceller för att spåra solen, eller för att distribuera solceller och andra bihang till satelliter när de når rymden.