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Nuovi materiali erculei
Le ali degli aerei oi rotori degli elicotteri realizzati con materiali che possono cambiare forma in risposta ai comandi elettrici sono da tempo un sogno degli ingegneri aeronautici. È un'applicazione che migliorerebbe notevolmente le prestazioni e l'efficienza del carburante degli aerei. Ma il giusto materiale mutaforma per realizzarlo si è dimostrato sfuggente.
Ora i ricercatori del MIT hanno scoperto un approccio promettente che sfrutta il meccanismo che alla fine farà sì che la batteria del tuo laptop si spenga fallire : l'espansione e la contrazione dei materiali degli elettrodi nella batteria. Questo è un classico caso di prendere limoni e fare una limonata, dice Eppure-Ming Chiang , un professore di scienze dei materiali e ingegneria al MIT che sta lavorando al progetto. Gli articoli che descrivono il lavoro appariranno nei prossimi numeri di Materiali funzionali avanzati e Lettere elettrochimiche e allo stato solido .
Gran parte della ricerca passata sui materiali che cambiano forma ha coinvolto i piezoelettrici, materiali che cambiano forma in risposta all'elettricità. Ma Chiang dice di aver deciso molto tempo fa che i piezoelettrici non avrebbero funzionato per applicazioni così rigorose come il morphing dei rotori degli elicotteri.
Per anni, i ricercatori nel campo correlato delle batterie hanno affrontato il problema che quando gli ioni si spostano da un elettrodo all'altro, quando la batteria si carica, fanno espandere il materiale dell'elettrodo, per poi contrarsi di nuovo quando la batteria si scarica. Questa caratteristica può provocare nel tempo la rottura della struttura interna della batteria; quindi i ricercatori hanno cercato materiali che non soffrissero dell'effetto. Ma quando Chiang calcolò quanta energia meccanica poteva comportare questa espansione, ebbe un momento di euforia. E esperimenti successivi hanno mostrato che le batterie hanno l'energia meccanica necessaria per spostare un carico dieci volte più lontano dei piezoelettrici.
Tuttavia, le prestazioni della batteria hanno un compromesso: la velocità. I piezoelettrici possono funzionare facilmente a diverse migliaia di cicli al secondo, afferma Chiang. Ma l'espansione della batteria è limitata dal tempo necessario per caricarla. A seconda di quanto movimento è richiesto, questo potrebbe richiedere da poco più di un minuto a una considerevole frazione di un'ora, secondo Steven Hall , un professore di aeronautica e astronautica al MIT coinvolto nel progetto. I ricercatori sperano di migliorarlo diminuendo il tempo necessario per caricare una batteria.
Chiang sta anche lavorando per progettare batterie fisicamente più forti che possano sfruttare meglio l'energia meccanica dell'elettrodo.
Ma le batterie esistenti in commercio sono abbastanza buone per costruire un modello dimostrativo, che i ricercatori sperano di avere pronto all'inizio del prossimo anno. Alla fine, una serie di batterie verrà inserita nella pala del rotore e utilizzata per trasformarla selettivamente.
Tale cambiamento di forma consentirà agli ingegneri di evitare un compromesso che è stato al centro della progettazione degli elicotteri. Gli elicotteri sono costruiti per fare due cose molto diverse: librarsi e navigare. Di conseguenza, non fanno né particolarmente bene. Essere in grado di modificare la forma del rotore in volo potrebbe ottimizzarli per queste due funzioni. Chiang e Hall calcolano che un elicottero potrebbe quindi operare con circa l'1% in meno di carburante, un risparmio che potrebbe aumentare notevolmente nel tempo. In alternativa, gli elicotteri militari potrebbero trasportare due truppe aggiuntive o funzionare meglio nelle operazioni ad alta quota in montagna.
Anche i rotori potrebbero essere solo l'inizio. Chiang e Hall indicano applicazioni sugli aeroplani, dove il cambiamento della forma delle ali in volo potrebbe apportare miglioramenti simili in termini di prestazioni ed efficienza. Potrebbero anche essere utili per far ruotare attivamente le celle solari per tracciare il sole o per dispiegare celle solari e altre appendici di satelliti una volta raggiunto lo spazio.