Глава 18 Активный силовой наноматериал

Перейдем к рассмотрению методов создания активной движущей силы, для которых в роли окружающей среды рассматривается обычный воздух, так называемый, «атмосферный океан».

Несколько слов о терминологии, которая перешла к нам из английского языка. Мы называем «активными движителями» устройства, работающие за счет «активных сил» взаимодействия с внешней средой (воздухом, водой или эфиром). Слово «reaction» означает «противодействие», «action» – действие. Реактивные силы, по определению, возникают при противодействии движителя и опоры, от которой он отталкивается. В результате реакции, тепловая энергия среды увеличивается, соответственно увеличению кинетической энергии движителя. В противоположность этому принципу, активные силы действуют на движитель транспортного средства за счет поглощения кинетической энергии среды. Этот процесс должен приводить к охлаждению окружающей среды.

Обычный парус, как мы отмечали ранее, работает именно как активный движитель, используя энергию потока ветра. Что такое ветер? Это упорядоченный поток частиц воздуха, преимущественно двигающийся в одном направлении. Парус тормозит направленный поток движущейся среды, тем самым, сообщая ускорение транспорту.

Используя специально сконструированные наноматериалы, в настоящее время, становится возможным работать с каждой молекулой воздуха, отбирая у нее кинетическую энергию, и передавая суммарный импульс движителю транспортного средства. В результате такого взаимодействия с окружающей средой, например, с воздухом, можно обеспечить разное давление воздуха на пластину материала, одна сторона которой имеет микрорельеф специальной формы.

Размеры микрорельефа, которые необходимы для реализации предлагаемой концепции, находятся в пределах 1 – 500 нанометров. Эти размеры зависят от характеристики среды, которая называется «длина свободного пробега» молекул. Данная характеристика меняется, при изменениях давления и температуры газовой среды.

Предлагаемая здесь концепция ранее рассматривалась в Московском Авиационном Институте А. Титаренко, как «частичное экранирование сил давления», действующих на предмет. В более точной формулировке, «экранирование силы давления среды» означает задачу «поглощения» части кинетической энергии молекул среды (воздуха), с какой‑либо одной стороны тела, что создаст разность действующего на него давления, и однонаправленную движущую силу.

В несколько иной форме, идея была высказана Михаилом Порфирьевичем Бешок, Санкт‑Петербург, опубликована в журнале «Новая Энергетика» [37]. На рис. 82 показана концепция, предложенная данным автором.

Рис. 82. Идея Михаила Порфирьевича Бешок по использованию энергии воздуха

Михаил Порфирьевич поясняет данный принцип следующим образом: «Если размер элементов рельефа d более длины свободного пробега, то каждая из молекул после удара о пластину сразу возвращается в собственную среду. Если размер элементов рельефа d менее длины свободного пробега, то часть из молекул ударится о пластину в области микрорельефа более чем один раз, прежде чем вернуться в собственную среду. Таким образом, возникает дополнительная сила с той стороны, где пластина имеет рельеф с элементами размером d, и баланс сил нарушается». В результате, возникает движущая сила, действующая на пластину. Рассмотрим данную идею подробнее. Известно, что молекулы воздуха всегда двигаются, причем, хаотически, сталкиваясь и меняя направление. На длине свободного пробега, траектория каждой молекулы является прямолинейной, как показано на рис. 83.

Рис. 83. Длина свободного пробега молекул газа

Скорость движения молекулы воздуха, при обычном атмосферном давлении и комнатной температуре, примерно равна 500 м/сек. Длина свободного пробега определяется, как расстояние, которое молекула газа пролетает от места одного столкновения до другого. Например, молекулы 1 и 2 столкнулись, и поменяли свои траектории. Аналогично, пара молекул 3 и 4 уже столкнулись, и теперь двигаются некоторое время прямолинейно, по своим траекториям. Расстояние, которое пролетает молекула 1 от точки столкновения с молекулой 2 до точки столкновения с молекулой 3, называется «длиной свободного пробега». При обычных размерах неровностей рельефа, которые намного больше длины свободного пробега, процесс движения и столкновений является хаотическим. Не имеет значения, полирована ли одна поверхность пластины, или она имеет крупные неровности, так как вектора импульсных ударов молекул воздуха по поверхности имеют статистическое распределение вероятностей направления импульса.

В такой ситуации «статистического равновесия», давление среды на обе поверхности пластины будет одинаковое, и суммарный импульс равен нулю.

В другом случае, если одна сторона пластины имеет поверхность с регулярными элементами рельефа, размер которых менее длины свободного пробега молекулы, то мы можем использовать предсказуемое прямолинейное движение молекул на коротких участках траектории.

Задача решается либо путем частичного отбора кинетической энергии частиц окружающей среды, либо путем частичного упорядочивания их хаотического теплового движения. Частичный отбор энергии у частиц, должен сопровождаться нагреванием наноэлементов, например, нановолосы будут нагреваться за счет их деформаций. Упорядочивание, то есть, ламинаризацию, можно организовать разными способами: создание за счет рельефа преимущественного вектора движения частиц вдоль поверхности пластины или перпендикулярно пластине. Соответственно, давление среды на пластину со стороны рельефа либо уменьшается, либо увеличивается.

Итак, рассмотрим варианты микрорельефа, при котором статистическое равновесие взаимодействия среды и сторон пластины нарушается. У нас есть несколько путей решения данной задачи. Первое направление исследований заключается в поиске решений, позволяющих осуществить частичный отбор кинетической энергии у молекул воздуха. Один вариант реализации данного решения – это такие нанотрубки, в которых молекулы воздуха теряют часть своей кинетической энергии при боковых неупругих соударениях со стенками трубок. В результате, молекула воздуха передаст нанотрубкам часть своего импульса, что уменьшает компоненту импульса молекул, которая направлена перпендикулярно поверхности пластины, рис. 84. Очевидно, частичный отбор энергии у молекул среды должен привести к нагреву вещества, из которого изготовлены наноэлементы.

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 воздуха

Более 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 пластины

Таким 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 среды

Конусное 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 пакетов

Диаметр 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 газом

Недостатком 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 САНМ

Данные 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 транспорте

Этот транспорт может составить серьезную конкуренцию всей отрасли судостроения и авиации. Очевидно, возникают перспективы изменения концепции всего автомобильного и железнодорожного транспорта. Возможны и другие применения технологии САНМ, например, летающие на нужной высоте ретрансляторы телевизионного сигнала, систем связи и т. п. Уменьшается необходимость в выводе спутников связи на геостационарную орбиту, если появляется возможность размещения ретрансляторов связи на любой высоте, и поддержания заданной позиции в пространстве неограниченное время, без расхода топлива.

Фантастические перспективы: по мере увеличения надежности конструкции движителей, использующих САМ, и снижения стоимости их производства, возможно их широкое применение в области создания недвижимости нового типа: летающих домов, гостиниц, ресторанов и т. п.

Применение САНМ – технологии позволит конструировать движители для любого транспорта, а также создавать крутящий момент машин, использующих какой‑либо ротор, включая электрогенераторы любой мощности, рис. 92.

Рис. 92. Применение силового активного материала

Проект по данной теме не требует больших финансовых затрат. Первый этап исследований заключается в проверке предположений о том, что регулярные наноструктуры определенной формы могут «отбирать» кинетическую энергию у молекул воздуха, либо упорядочивать их движение. Упрощенно, схемы показаны на рис. 84 – рис. 87. В процессе развития технологических методов, возникнут и другие решения. Эксперименты целесообразно организовать в существующей нанотехнической лаборатории. Отдельно отметим, что упорядоченный нанорельеф в виде пакета трубок или сотовые структуры будут создавать «эффект полостных структур», который мы рассмотрим позже, в главе о волнах материи де Бройля. В общих чертах, можно представить данный эффект, как интерференцию продольных волн эфирной среды, излучаемых согласованно вибрирующими частицами материи, которая образует стенки трубок. Излучение волн де Бройля направлено вдоль оси трубок, и интерференция волн от множества трубок – источников дает в пространстве над сотовыми (полостными) структурами упорядоченные области сжатия и разряжения эфирной среды. Практическое применение таких устройств выходит за рамки вопроса об использовании кинетической энергии молекул воздуха, поскольку относится к эфиродинамике. Полагаю, что их внедрение будет иметь большие перспективы в космической технике.

Рассмотрим еще одно направление развития космической техники, которое стоит отдельно от остальных, но изучение данного метода полезно при анализе других технологий.