Рис. 84. Молекулы воздуха и нанотрубки
Отметим, что в другом случае, при упругих столкновениях молекул воздуха и стенок нанотрубок может возникнуть противоположный эффект: в результате выравнивания траектории движения молекул воздуха (ламинаризации) вдоль оси трубки, увеличится компонента скорости молекул, которая перпендикулярна поверхности пластины. Этот эффект увеличит давление на пластину с той стороны, где сформированы нанотрубки.
Отбор кинетической энергии молекул, или частичное упорядочение их хаотического движения, так или иначе, приводят к формированию разности давления среды на пластину с двух сторон. Это создаст движущую силу, действующую на пластину со стороны среды.
При охлаждении среды, возможен эффект появления тумана, конденсации атмосферных паров воды. В связи с этим, имеется интересная смысловая аналогия: мы говорим «парит», «парящий в высоте» о чем-то летающем в воздухе на одном месте. Возможно, это древнее слово отражает смысл забытых нами технологий.
Один из вариантов отбора части кинетической энергии у молекул воздуха – столкновения с нановолосами, которые будут деформироваться, принимая на себя часть импульса молекул, рис. 85. Упругие деформации наноэлементов позволят преобразовать кинетическую энергию молекул в тепловую энергию, которая аккумулируется веществом пластины. Принцип простой, но сложность данного технического решения заключается в том, что на «упругой стороне» пластины, необходимо обеспечить взаимодействие не для теннисных шариков, а для молекул воздуха, масса которых очень мала, а скорость очень большая. Можно предположить, что наноструктуры в виде тонких нанотрубок или цилиндров (нановолосы), ориентированных вертикально, и расположенных на поверхности пластины с требуемым зазором, смогут упруго взаимодействовать с отдельными молекулами воздуха, то есть, поглощать кинетическую энергию при деформациях, и преобразовывать ее в тепловые колебания атомов вещества, из которого они изготовлены.
Рис. 85. Деформации наноэлементов при взаимодействии с молекулами воздухаБолее простым, на данной стадии проекта, мне представляется второе направление поиска, то есть ламинаризация потока. Мы можем делать хаотическое движение частиц среды более упорядоченным, «формируя ветер». Поскольку такой «ветер» в области около поверхности пластины может быть ориентирован параллельно или перпендикулярно пластине движителя, соответственно, получаем два варианта второго решения: снижения давления среды на поверхность пластины, или увеличение давления среды на пластину, в определенном месте.
На рис. 86 показан вариант, при котором хаотическое движение молекул воздуха преобразуется в частично упорядоченное, то есть, в «поток ветра», после прохождения ими «наносита», имеющего вертикальные каналы (нанотрубки). Аналогично будет работать с частицами среды и пакет плоских пластин, расположенных с зазором. Простой вариант рельефа – канавки в толщине пластины, глубиной 500 – 1000 нм и шириной 50 – 100 нм. Варианты реализации идеи зависят от возможностей технологов.
Рис. 86. Поток частиц направлен вдоль поверхности пластиныТаким образом, формируется поток частиц, суммарный вектор скорости которых имеет большую компоненту скорости, направленную перпендикулярно поверхности пластины, чем при хаотическом движении. Можно ожидать, что этот эффект увеличит статическое давление на поверхность пластины корпуса со стороны «наносита.
Поиск оптимальных решений конструкции «наносита», способного частично упорядочить хаотическое движение частиц среды (воздуха или воды), является интересной задачей. На рис. 87 показано другое решение, которое может применяться для упорядочивания движения молекул среды.
Рис. 87. Создание упорядоченного потока частиц газовой средыКонусное отверстие с одной стороны пластины, так сказать, «на входе», способно улавливать большее количество молекул, и «выравнивать» их траекторию движения. С другой стороны пластины, отверстия имеют меньший диаметр.
Отдельно отметим, что при малых размерах трубок (каналов) порядка 1–2 нм, большую роль играют молекулярные силы притяжения. Молекула газа, попадая внутрь такой узкой трубки, перестает совершать боковые колебания, и занимает положение на оси трубки, благодаря силам молекулярного притяжения к стенкам трубки. Она продолжает колебаться и двигаться, но только в направлении вдоль оси трубки.
Возможны и такие варианты, при которых наносито с наклонными каналами формирует преимущественный поток частиц среды вдоль поверхности пластины. В таком случае, увеличивая динамическое давление и уменьшая статическое, мы получим эффект, аналогичный известному эффекту Жуковского – Чаплыгина, который обеспечивает подъемную силу крыла. Возникает градиент давления среды снизу и сверху, за счет разной скорости обтекания средой поверхности пластины. Такое неподвижное «нанокрыло» способно создавать подъемную силу в статистически неподвижной среде, поскольку отдельные элементы среды всегда находятся в движении, которое можно частично упорядочить, используя специальный нанорельеф.
Применение нанотрубок, ориентированных в нужном направлении, для развития данной концепции, представляется наиболее перспективным, хотя и другие способы получения микрорельефа, включая современные методы наноэлектроники, применяемые при изготовлении элементов микросхем, могут найти практическое применение. При серийном производстве, методами фотопечати и травления, технология будет иметь низкую себестоимость. Отметим, что выращивание таких наноструктур, как «нановолосы», возможно не только из неорганики, но и путем биологических нанотехнологий.
Данная технология названа САМ – силовой активный материал, или САНМ – силовой активный наноматериал. Использование пластин силового активного материала в энергетике не ограничивается роторами машин. Во всех рассмотренных вариантах конструкции силового активного материала, при отборе энергии окружающей среды, создается разность температур, данная технология открывает качественно новые перспективы в конструировании источников энергии, состоящих из пластин СА наноматериала и обычных термоэлектрических преобразователей. Эти генераторы энергии относятся к устройствам прямого преобразования тепла окружающей среды в электроэнергию. В связи с этим, напомню идею Максвелла о возможности создания некоего механизма, разделяющего молекулы среды на горячие (быстрые) и холодные (медленные). Данным механизмом, не требующим затрат, и является специальный микрорельеф.
Технологические решения, которые можно предложить сегодня для реализации данной идеи, относятся к способам получения вертикально ориентированных нанотрубок, рис. 88.
Рис. 88. Фото: нанотрубки в виде пакетовДиаметр получаемых нанотрубок, обычно, составляет 50-100 нм. Технология получения таких нанотрубок анодированием титана недорогая, ее планируют широко применять для фильтров различного назначения. Существуют и другие варианты получения аналогичных наноструктур, например, метод анодирования сверхчистого кристаллического алюминия. Интересные решения, как мы уже отмечали, могут быть получены и методами наноэлектроники, которая позволяет создавать современные транзисторы размером 50 нм. При таком подходе, изготовители микросхем могут открыть для себя новый сектор рынка.
Разумеется, исследования и отработка оптимального рельефа пластины САМ потребуют значительных средств на оплату труда специалистов в области наноэлектроники. В дальнейшем, после изготовления шаблона, промышленное производство и сборка пластин САМ, под конкретную конструкцию движителя, будут иметь небольшую себестоимость. Применение данной технологии в космических проектах также возможно. Полагаю, что силовой активный наноматериал будет создавать подъемную (движущую силу) в любом замкнутом объеме газовой среды, охлаждая ее в процессе работы, рис. 89.
Рис. 89. САНМ в герметичном корпусе, заполненном газомНедостатком данной технологии является необходимость организации отвода тепла от САНМ – пластин, и подвода тепла к газовой среде с противоположной стороны корпуса. Можно обеспечить циркуляцию тепла, используя теплообменники. Часть тепловой энергии, неизбежно, будет рассеиваться в окружающей среде, и ее надо восполнять внешним источником энергии.
Преимущество замкнутых систем в том, что можно создать любое давление газовой среды, а также, изменять его величину, тем самым увеличивая или уменьшая движущую силу. Например, при давлении газа внутри корпуса порядка 10 атмосфер, и 10 % перепаде давления на стороны пластины, на 1 квадратный метр САНМ – пластины будет действовать сила порядка 10 тонн. Движители, сконструированные для газа высокого давления, будут более компактными и мощными. Впрочем, и в открытой атмосферной среде у данной технологии большие перспективы.
Ориентировочные расчеты величины активной силы, которая будет действовать на пластину при создании 10 % разности атмосферного давления, показывают, что при атмосферном давлении около 1 кг на 1 квадратный сантиметр, создается подъемная сила около 100 грамм на 1 квадратный сантиметр. Лист размером 1 квадратный метр сможет поднять 1 тонну. Листы САМ можно пакетировать, обеспечив доступ воздуха к слоям материала. Легко представить себе силовую установку (движитель) с габаритами примерно 1 кубометр, состоящую из 100 листов, способную поднять груз весом 100 тонн, рис. 90.
Рис. 90. Пакетирование пластин САНМДанные технические характеристики принципиально меняют концепцию конструирования авиационного транспорта, а также, открывают фантастические возможности создания новых типов летающих объектов, грузоподъемностью в миллионы тонн.
Например, платформа – движитель, с габаритами примерно 50х100 метров, и толщиной 2 метра, состоящая из 200 слоев 10 мм пластин САНМ, всего при 10 % перепаде атмосферного давления, может быть активным движителем для транспортного средства грузоподъемностью 1 миллион тонн, рис. 91.
Рис. 91. Концепция САМ в большегрузном транспортеЭтот транспорт может составить серьезную конкуренцию всей отрасли судостроения и авиации. Очевидно, возникают перспективы изменения концепции всего автомобильного и железнодорожного транспорта.