211service.com
Nieuwe Hercules-materialen
Vliegtuigvleugels of helikopterrotors gemaakt van materialen die van vorm kunnen veranderen als reactie op elektrische bedieningselementen, zijn al lang een droom van luchtvaartingenieurs. Het is een applicatie die de prestaties en brandstofefficiëntie van vliegtuigen aanzienlijk zou verbeteren. Maar het juiste vormveranderende materiaal om dit mogelijk te maken, is ongrijpbaar gebleken.
Nu hebben onderzoekers van MIT een veelbelovende aanpak ontdekt die gebruik maakt van het mechanisme dat er uiteindelijk voor zal zorgen dat de batterij van je laptop leeg raakt mislukking : het uitzetten en krimpen van elektrodematerialen in de batterij. Dit is een klassiek geval van citroenen nemen en limonade maken, zegt Yet-Ming Chiang , een professor materiaalwetenschappen en techniek aan het MIT die aan het project werkt. Artikelen die het werk beschrijven, zullen verschijnen in komende nummers van Geavanceerde functionele materialen en Elektrochemische en Solid State-letters .
Veel van het eerdere onderzoek naar vormveranderende materialen heeft betrekking op piëzo-elektrische materialen, materialen die van vorm veranderen als reactie op elektriciteit. Maar Chiang zegt dat hij lang geleden heeft besloten dat piëzo-elektriciteit niet zou werken voor zulke rigoureuze toepassingen als het veranderen van helikopterrotors.
Jarenlang hebben onderzoekers op het verwante gebied van batterijen het probleem gehad dat wanneer ionen van de ene elektrode naar de andere gaan, terwijl de batterij oplaadt, ze ervoor zorgen dat het elektrodemateriaal uitzet en vervolgens weer samentrekt als de batterij ontlaadt. Deze eigenschap kan ertoe leiden dat de interne structuur van de batterij na verloop van tijd uiteenvalt; dus zijn onderzoekers op zoek gegaan naar materialen die geen last hebben van het effect. Maar toen Chiang berekende hoeveel mechanische energie deze expansie zou kunnen inhouden, kreeg hij een moment van euforie. En latere experimenten toonden aan dat batterijen de mechanische energie hebben die nodig is om een lading tien keer zo ver te verplaatsen als piëzo-elektrische apparaten.
De prestaties van de batterij komen echter met een compromis: snelheid. Piëzo-elektrische apparaten kunnen gemakkelijk met duizenden cycli per seconde werken, zegt Chiang. Maar de uitbreiding van de batterij wordt beperkt door hoe lang het duurt om hem op te laden. Afhankelijk van hoeveel beweging nodig is, kan dit van iets meer dan een minuut tot een aanzienlijke fractie van een uur duren, volgens Steven Hall , een professor in de luchtvaart en ruimtevaart aan het MIT die bij het project betrokken was. De onderzoekers hopen dit te verbeteren door de oplaadtijd van een batterij te verkorten.
Chiang werkt ook aan het ontwerpen van fysiek sterkere batterijen die beter kunnen profiteren van de mechanische energie van de elektrode.
Maar bestaande in de handel verkrijgbare batterijen zijn goed genoeg om een demonstratiemodel te bouwen, dat de onderzoekers begin volgend jaar hopen klaar te hebben. Uiteindelijk zal een reeks batterijen in het rotorblad worden geplaatst en worden gebruikt om het selectief te morphen.
Door een dergelijke vormverandering kunnen ingenieurs een compromis vermijden dat centraal stond in het ontwerp van helikopters. Helikopters zijn gebouwd om twee heel verschillende dingen te doen: zweven en cruisen. Als gevolg daarvan doen ze het ook niet bijzonder goed. Door de rotorvorm tijdens de vlucht te kunnen veranderen, zouden ze voor deze twee functies kunnen worden geoptimaliseerd. Chiang en Hall berekenen dat een helikopter dan ongeveer één procent minder brandstof kan gebruiken, een besparing die in de loop van de tijd flink kan oplopen. Als alternatief kunnen militaire helikopters twee extra troepen vervoeren of beter werken bij operaties op grote hoogte in de bergen.
Rotors zijn misschien ook maar het begin. Chiang en Hall wijzen op toepassingen in vliegtuigen, waar veranderende vleugelvormen tijdens de vlucht vergelijkbare verbeteringen in prestaties en efficiëntie kunnen opleveren. Ze kunnen ook nuttig zijn voor het actief roteren van zonnecellen om de zon te volgen, of voor het inzetten van zonnecellen en andere aanhangsels van satellieten zodra ze de ruimte bereiken.