Новые космические технологии - Александр Фролов

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.