MOTORI A PROPULSIONE AL PLASMA D'ARIA IONIZZATA CON MICROONDE JOSEPH P. FARRELL Sa Defenza
Ieri ho scritto un post su un intrigante esperimento di correlazione che coinvolge atomi in un gas caldo, dimostrando la correlazione (e forse la correlazione parziale) che si verifica su scale molto più grandi di quella della tipica meccanica quantistica. Bene, preparatevi, perché l'articolo di oggi, presentato da JH (al quale siamo grati), non è meno sorprendente per le sue implicazioni:
Ecco il nocciolo della tecnologia, ora eseguito su un esperimento di prova di concetto su piccola scala:
Il dispositivo comprime l'aria e la ionizza con le microonde, generando plasma che la spinge in avanti, secondo una ricerca pubblicata martedì sulla rivista AIP Advances . Ciò significa che un giorno gli aerei potrebbero volare usando solo elettricità e l'aria attorno a loro come combustibile.
C'è un lungo cammino da percorrere tra un prototipo di proof of concept e l'installazione di un motore sul piano reale. Ma il prototipo è stato in grado di lanciare in aria una sfera d'acciaio da un chilo (2,2 libbre) di 24 millimetri (quasi un pollice). È la stessa spinta, proporzionale alla scala, di un motore a reazione convenzionale.
"I nostri risultati hanno dimostrato che un tale motore a reazione basato sul plasma ad aria a microonde può essere un'alternativa potenzialmente praticabile al convenzionale motore a reazione a combustibile fossile", ha detto il ricercatore capo e l'ingegnere dell'Università di Wuhan,Jau Tang, in un comunicato stampa .
Adesso mi conosci. Il fatto che questo esperimento sia stato condotto all'Università di Wuhan manda già il mio misuratore di sospetti nella zona rossa, così come i tempi della pubblicazione delle notizie su questo esperimento. Data la cattiva stampa che la Cina ha affrontato nei confronti del virus Fauci-Lieber-Wuhan-BaalGates, non sarei un po 'sorpreso che questa "piccola" storia potrebbe essere un po' di "controllo dei danni", come per dire " Vedi, non tutto ciò che esce dalla Cina comunista è male ".
A supporto di tale lettura, viene data la motivazione per l'esperimento come lo scoprire una tecnologia per combattere il riscaldamento globale:
I viaggi aerei rappresentano una piccola ma non insignificante porzione del cambiamento climatico. Il New York Times ha riferito a settembre che l'aria commerciale è responsabile del 2,5 percento di tutte le emissioni di gas serra, anche se questo esclude i jet militari.
"La motivazione del nostro lavoro è di aiutare a risolvere i problemi di riscaldamento globale dovuti all'utilizzo da parte dell'uomo di motori a combustibili fossili per alimentare macchinari, come automobili e aeroplani", ha dichiarato Tang nel comunicato.
Ora, per un momento, non credo che il Partito Comunista Cinese si preoccupi del riscaldamento globale, dei gas a effetto serra provenienti dagli aerei a reazione e così via. Dopotutto, la qualità dell'aria in Cina è riconosciuta come una delle peggiori al mondo, e i cinesi indossavano maschere molto prima che arrivasse il Dr. Fauci (fa rima con Grouchy), e non a causa dei virus.
Allora, qual è il vero gioco qui, e cosa fa funzionare il mio motore di speculazione ad alto numero di ottani in overdrive?
Negli anni '50, il fisico americano Thomas Townsend Brown - per citare solo una persona che ha avuto questa idea - ha rilasciato un brevetto per un motore a reazione che avrebbe caricato il suo scarico con polarità negativa. Posizionare un dipolo a carica positiva sul bordo anteriore di un velivolo usando un tale motore, e si creerebbe un campo ionizzato attorno a un velivolo che contribuirebbe al sollevamento e alla spinta. Alcuni, come il Dr. Thomas Vallone, hanno ipotizzato che un tale sistema sia già in gioco nel bombardiere stealth B-2. Quindi, in effetti, quello che stiamo osservando qui è un modello di "seconda generazione" della stessa idea di base, solo uno che rinuncia al normale tipo di compressore del motore a reazione e lo sostituisce con una versione a microonde che crea un plasma per la spinta.
Vi è, tuttavia, un'ulteriore implicazione di questa ricerca, e questa è la stessa capacità invisibile. Qui devo divagare un po per discutere perché non penso, e non ho mai pensato, che gli aerei invisibili siano davvero tutti quei materiali invisibili, assorbenti dai radar o no. E questo va direttamente alla natura del radar stesso. Molte persone fraintendono il radar come un "rimbalzo", come un riflesso di un segnale proveniente da una superficie metallica, proprio come uno specchio riflette la luce. Questo è davvero un modello di radar ed è quello nell'immaginazione popolare. Ma in realtà, il radar è un effetto trasmettitore secondario: la stimolazione di una superficie metallica da parte di un raggio nell'estremità a microonde dello spettro - come le onde radio - genera una corrente elettrica nell'oggetto così irradiata. Quella corrente, a sua volta, non è solo in risonanza con l'oggetto irradiato, ma l'oggetto stesso diventa così la propria antenna di trasmissione, irradiando un segnale. Questo è il segnale che viene raccolto e amplificato da un radar. Pertanto, se si conosce la frequenza di risonanza anche di un oggetto invisibile, si può stimolare e amplificare questa corrente.
Ma ora immaginate un velivolo che utilizza tale tecnologia nei suoi motori come indicato in questo articolo. L'aereo verrà inguainato in un plasma elettrico che possiede le sue proprietà elettriche. Pertanto, diventa possibile immaginare nuovi metodi non solo di furtività, ma anche nuovi metodi di rilevazione . Inoltre, questi metodi potrebbero includere metodi per inceppare i segnali a microonde creando plasma a getto per iniziare. In altre parole, potrebbero essere create tecnologie di disturbo che potrebbero effettivamente arrestare tale motore.
Ed è per questo che non acquisto la spiegazione del "riscaldamento globale" ...
Ci vediamo dall'altra parte ...
*****
Ecco l'originale su cui si basa il post sopra ... abbastanza interessante.
Proponiamo un prototipo di propulsore di propulsione che utilizza plasma ad aria indotto dalla ionizzazione a microonde. Un tale motore a reazione utilizza semplicemente solo aria ed elettricità per produrre plasma ad alta temperatura e pressurizzato per la propulsione a getto. Abbiamo usato un dispositivo fatto in casa per misurare la forza di sollevamento e la pressione del getto a varie impostazioni della potenza delle microonde e della portata dell'aria. Abbiamo dimostrato che, dato lo stesso consumo di energia, la sua pressione di propulsione è paragonabile a quella dei tradizionali motori a reazione per aerei che utilizzano combustibili fossili. Pertanto, un tale propulsore libero dalle emissioni di carbonio potrebbe essere potenzialmente utilizzato come propulsore a reazione nell'atmosfera.
Simile a solidi, liquidi e gas, il plasma è un normale stato della materia. Il plasma nasce naturalmente a causa della ionizzazione di molecole ad alte temperature (come nel sole) o in campi elettrici elevati (come nei fulmini). In laboratorio, il plasma può essere generato usando un arco elettrico, una cavità a microonde, un laser, una fiamma di fuoco o un ago ad alta tensione di scarica. Il plasma ha ampie applicazioni in molte aree, inclusa la lavorazione dei metalli, 1,2crescita dei cristalli, 3,4cure mediche, 5–7trasformazione dei prodotti alimentari, 8,9energia, 10,11e industrie ambientali. 12,13I propulsori a getto di plasma sono stati utilizzati anche per applicazioni aerospaziali per molti anni. 14,15Il propulsore a reazione che utilizza plasma allo xeno in un veicolo spaziale esercita solo una piccola forza di propulsione e può essere utilizzato nello spazio esterno in assenza di attrito dell'aria. Anche se un tale motore al plasma ha una forza di propulsione molto piccola, dopo mesi e anni di costante accelerazione, il veicolo spaziale può alla fine raggiungere un'alta velocità. Tuttavia, questo tipo di motore, come quello della sonda spaziale Dawn della NASA, 16non è utile nell'ambiente atmosferico. 17,18Recentemente, un gruppo di ricerca del MIT ha dimostrato un aliante alimentato a plasma che può operare in aria utilizzando un array di scarica ad ago per generare plasma ad aria per alimentare il volo. Questa squadra ha dimostrato un tempo di volo continuo di 12 se una distanza di volo di 55 m. Tuttavia, questo tipo di propulsore al plasma Tesla ha una forza di sollevamento e una pressione del getto di soli 6 N / kW e 3 N / m 2 , rispettivamente. 19È molto difficile per questo approccio diventare fattibile per l'uso come un potente motore per il trasporto aereo effettivo. In questo rapporto, consideriamo un propulsore a getto di plasma ad aria a microonde che utilizza plasma ad alta temperatura e alta pressione generato da una camera di ionizzazione a microonde da 2,45 GHz per aria pressurizzata iniettata. Proponiamo un semplice propulsore a getto al plasma prototipo in grado di generare circa 10 N di spinta a 400 W utilizzando 0,5 l / s per il flusso d'aria, corrispondente alla forza di sollevamento di 28 N / kW e una pressione del getto di 2,4 × 10 4 N / m 2 . Con una potenza delle microonde superiore o un flusso d'aria maggiore, è possibile ottenere forze di propulsione e pressioni di getto paragonabili a quelle dei motori a reazione per aerei commerciali.
La nostra configurazione sperimentale è mostrata in Fig. 1e include un magnetron con una potenza di 1 kW a 2,45 GHz, un circolatore, una guida d'onda appiattita, un accenditore e un tubo al quarzo. Il magnetron è la sorgente a microonde, il circolatore viene utilizzato per assorbire le microonde riflesse e un sintonizzatore a tre stub viene utilizzato per ottimizzare la potenza all'interno della camera di ionizzazione dell'aria. La lunghezza, la larghezza e l'altezza della guida d'onda sono rispettivamente di 600 mm, 90 mm e 50 mm. La parte appiattita della guida d'onda ha un'altezza di 25 mm. L'area piatta della guida d'onda è progettata per aumentare l'intensità del campo elettrico. Il microonde generato dal magnetron passa attraverso il circolatore e il sintonizzatore a tre stub e raggiunge la guida d'onda appiattita. Questa parte piatta ha un'apertura circolare per l'inserimento di un tubo di quarzo con un diametro interno di 24 mm, un diametro esterno di 27 mm e una lunghezza di 600 mm.20L'accenditore viene utilizzato per accendere e generare un getto di plasma. Un dispositivo di raffreddamento industriale viene utilizzato per raffreddare il circolatore e il magnetron. Usiamo un compressore d'aria e un flussometro per generare e condizionare l'aria ad alta pressione nel tubo al quarzo. L'aria entra nel tubo di quarzo dal lato, formando un vortice che mantiene stabile il getto di plasma nel tubo. 21Come mostrato in Fig. 2, la variazione della potenza della microonde influenza la lunghezza del getto di plasma a microonde dell'aria. La nostra osservazione indica che la lunghezza della fiamma aumenta con l'aumentare della potenza. Inoltre, i cambiamenti nel flusso d'aria iniettato influiscono anche sulla lunghezza della fiamma.
FIGURA. 1. Diagramma schematico di un prototipo di propulsore a getto d'aria al plasma ad aria a microonde. È stata utilizzata una guida d'onda appiattita per aumentare l'intensità del campo elettrico della ionizzazione dell'aria all'interno della camera di ionizzazione dell'aria. PPT| Alta risoluzione
FIGURA. 2. Immagini del getto di plasma ad aria a microonde con diverse impostazioni di potenza (in un'unità di W). La lunghezza, la temperatura e la luminosità della fiamma aumentano con l'aumento della potenza delle microonde. PPT| Alta risoluzione
La temperatura della fiamma può raggiungere più di 1000 ° C; un barometro per scopi generici non resisterà a una temperatura così elevata e non potrebbe essere utilizzato. Pertanto, in questo esperimento, abbiamo ideato un semplice strumento per misurare la pressione del getto del plasma caldo. Abbiamo posizionato una sfera d'acciaio vuota (117 g, diametro esterno 75,5 mm) sulla parte superiore del tubo al quarzo, come mostrato nelle Figg. 3 (a)e 3 (b)(Vista multimediale). È stato praticato un piccolo foro sulla parte superiore della sfera con un'apertura per l'inserimento di sfere in acciaio molto più piccole per modificare il peso complessivo della palla. Se il getto di plasma è sufficientemente forte, può far vibrare la sfera d'acciaio cava. Per mantenere ferma la sfera d'acciaio, è necessario aggiungere piccole perle di acciaio. Definiamo il peso di soglia come il peso totale minimo (compresa la sfera d'acciaio e le piccole sfere d'acciaio) che può mantenere ferma la sfera d'acciaio. Possiamo calcolare la forza di propulsione di soglia da questo peso critico. Quindi, in base all'area nota per la sezione trasversale del tubo di quarzo, è possibile determinare la pressione del getto. La forza di propulsione del getto F è uguale al peso totale critico M volte l'accelerazione gravitazionale g, che è 9,8 N / kg. Negli esperimenti, abbiamo usato 400 W, 600 W e 800 W per la potenza delle microonde e 0,7 m 3 / h, 0,85 m 3 / h, 1 m 3 / h, 1,15 m 3 / h, 1,3 m 3 / h e 1,45 m 3 / h per la portata del flusso d'aria. Anche in assenza di energia a microonde, l'aria compressa iniettata può fornire una certa propulsione alla sfera d'acciaio. Pertanto, quando si calcola la rete F di propulsione netta generata esclusivamente dal getto di plasma, è necessario sottrarre il contributo di propulsione F 0 presente in assenza di irradiazione a microonde. Pertanto, la forza di propulsione netta è data da
Fn e t= F-F0= ( M-M0) g .Fnet=F-F0=(M-M0)g. (1)
M 0 è il peso critico della sfera d'acciaio ottenuto in assenza dell'irradiazione a microonde. La pressione complessiva P generata dal getto di plasma ad aria è uguale a F / πR 2 , dove R è il diametro interno del tubo al quarzo. Sottraendo il contributo alla pressione generata esclusivamente dall'iniezione di aria, la pressione di propulsione netta del getto si ottiene come
Pn e t= ( F-F0) / πR2.Pnet=(F-F0)/πR2. (2)
FIGURA. 3. a) Diagramma schematico di un semplice dispositivo casalingo resistente al calore per le misurazioni della pressione di propulsione, costituito da una sfera d'acciaio cava sulla parte superiore del tubo al quarzo. Il dispositivo ha un piccolo foro nella parte superiore per l'inserimento di sfere d'acciaio più piccole al fine di regolare il peso di soglia in corrispondenza del quale la sfera inizia a vibrare a causa dell'effetto del getto di plasma. (b) Il dispositivo utilizzato nell'esperimento, il punto in cui la sfera d'acciaio vuota ha iniziato a vibrare (vista multimediale: https://doi.org/10.1063/5.0005814.1
Abbiamo misurato il peso di soglia a cui la sfera d'acciaio ha iniziato a vibrare per misurare la corrispondente forza di propulsione del getto del plasma con diverse potenze a microonde e velocità del flusso d'aria. Figure 4 (a)e 4 (b)mostra la forza di propulsione globale del getto, incluso il contributo dell'aria iniettata senza potenza a microonde, dove l'asse x rappresenta la potenza e la portata. Questi dati sono stati montati linearmente con una pendenza me un'intercetta c, indicando un aumento lineare all'aumentare della potenza o del flusso d'aria. Figura 5mostra la pressione netta generata dal getto di plasma a varie impostazioni di potenza e flusso d'aria delle microonde in base all'area del tubo interno al quarzo. Ad esempio, alla potenza e alla portata del flusso d'aria di 600 W e 1,15 m 3 / h, rispettivamente, la pressione del getto netto raggiunge 1,6 × 10 4 N / m 2 dopo la sottrazione del componente del flusso d'aria.
FIGURA. 4. (a) Forza di propulsione di soglia a varie impostazioni del flusso d'aria in funzione della potenza delle microonde (in un'unità di W). Sono stati ottenuti accoppiamenti lineari con m che rappresenta la pendenza ec che rappresenta l'intercetta dell'asse y. I rappresenta la portata d'aria (in un'unità di m 3 / h). (b) Simile a (a), ma con l'asse x che rappresenta la portata del flusso d'aria. PPT| Alta risoluzione
FIGURA. 5. a) Pressione netta del getto (escluso il contributo dell'aria iniettata ma senza potenza a microonde) a varie impostazioni del flusso d'aria in funzione della potenza a microonde (in un'unità di W). Sono stati ottenuti accoppiamenti lineari con m che rappresenta la pendenza ec che rappresenta l'intercetta dell'asse y. I rappresenta la portata d'aria (in un'unità di m 3 / h). (b) Simile a (a), ma con l'asse x che rappresenta la portata del flusso d'aria. PPT| Alta risoluzione
I risultati sperimentali di cui sopra hanno dimostrato che la potenza delle microonde e il flusso d'aria hanno un'influenza significativa sulla propulsione a getto di plasma. A un flusso d'aria costante, una maggiore potenza delle microonde rende il campo elettrico all'interno della camera di ionizzazione molto più forte, portando a una ionizzazione più efficiente delle molecole di gas. A una maggiore potenza e flusso d'aria delle microonde, la temperatura e la densità del plasma aumentano, con conseguente aumento della forza e della pressione di propulsione a getto.
In sintesi, proponiamo un prototipo di dispositivo che utilizza il plasma ad aria a microonde per la propulsione a reazione come motore vitale. Per misurare la pressione di propulsione del plasma molto caldo (facilmente oltre i 1000 ° C) a temperature in cui un misuratore di pressione convenzionale può essere danneggiato, abbiamo escogitato una tecnica basata sull'uso di una sfera d'acciaio cava con peso regolabile. La pressione è stata determinata in base al peso soglia al quale la palla ha iniziato a vibrare. Sulla base dei dati sulla soglia di peso, abbiamo determinato la forza e la pressione di propulsione al plasma in funzione della potenza delle microonde e della portata del flusso d'aria. Ad esempio, alla potenza delle microonde e alla portata d'aria di 400 W e 1,45 m 3/ h, rispettivamente, la forza di propulsione complessiva del getto era di circa 11 N o 28 N / kW. Sulla base dell'area dell'apertura del tubo al quarzo, abbiamo stimato che la pressione di propulsione totale fosse 2,4 × 10 4 N / m 2. Questi valori sono paragonabili a quelli di un motore a reazione convenzionale di un aereo e sono molto più alti dei valori ottenuti per l'aereo alimentato dal vento ionico. Il pacco batteria di un'auto elettrica Tesla Model S ha 416 cavalli, o 310 kW equivalenti. Supponendo un'estrapolazione lineare, utilizzando tale potenza, il nostro propulsore a reazione può generare una forza di circa 8500 N. Pertanto, utilizzando una sorgente a microonde ad alta potenza o una matrice di più fonti a microonde in funzionamento in parallelo, con materiali resistenti alle alte temperature e alla pressione, in futuro è possibile costruire un propulsore a getto di plasma ad aria a microonde ad alte prestazioni per evitare le emissioni di carbonio e il riscaldamento globale derivanti dalla combustione di combustibili fossili. Quando le microonde ad alta potenza vengono generate utilizzando sorgenti a microonde disposte in parallelo, viene generato anche un calore più elevato. A quest'ora, il metodo di misurazione della forza propulsiva con una sfera d'acciaio non è più applicabile. Come affrontare l'impatto dell'alta temperatura sulle attrezzature e valutare la forza motrice sono sfide che richiedono ulteriori ricerche.
CONTRIBUTI DEGLI AUTORI
DY e JL hanno contribuito ugualmente a questo lavoro.
DISPONIBILITÀ DEI DATI
I dati che supportano i risultati di questo studio sono disponibili all'interno dell'articolo.
Questo lavoro è stato sostenuto finanziariamente dalla National Nature Science Foundation of China (National Key Scientific Facility, Grant No. 51727901). Il sistema a microonde è stato fabbricato da Uniplasma, Shenzhen, Cina.
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