Длинный рассказ о космических двигателях СПД. Часть 2 - А как оно работает?
Привет пикабу! Всех с днем знаний!
Часть 1 - https://pikabu.ru/story/dlinnyiy_rasskaz_o_kosmicheskikh_dvi...
Поскольку мой первый пост не утопили в минусах, а подписчиков стало аж 69, я продолжу свой рассказ.
В прошлой части я освятил, как все начиналось. Но многим были не понятны некоторые специфические термины и определения. В этой части я постараюсь как можно более доступно объяснить работу двигателя типа СПД и его конструкцию. Понеслась....
Итак перво наперво, всем вероятно интересно, как выглядит наша чудо-штука...ну как то так:
Это СПД-40, производства меня любимого) (НИИ ПМЭ МАИ в самом деле). Итак, мы видим цилиндрическую штуку, с белыми кольцами внутри и зазором между ними. Фигня сверху - катод-компенсатор, про него позже. Все двигатели СПД в той или оной степени выглядят примерно так. Они почти все цилиндрические (хотя в музеях Факела есть и квадратные и ленточные). Такая форма сильно упрощает производство.
Что означают эти цифры после черточки в названии двигателя? В России принята классификация СПД по типоразмеру, поскольку от этого параметра напрямую зависят все характеристики двигателя. Иными словами эта цифра описывает внешний диаметр того самого зазора между двумя белыми кольцами на фотографии. У двигателя на фото этот размер - 40мм, у СПД-100 - 100 мм и так далее.
Рассмотрим конструкцию на одной из типовых схем.
1 – Обмотки катушек электромагнитов,
2 – Анод, 3 – Керамический канал, разрядная камера, 4 – Газораспределитель, 5 – Катод-компенсатор.
Итак, у нас имеется: Керамическая разрядная камера (это белые кольца на фото выше), внутри нее анод и газораспределитель (на представленной схеме это 2 детали, чаще всего они совмещены в одной), катод, магнитные катушки (чаще всего их 2, но бывает и 1 и 3 и более). Почти все остальное - это магнитное железо, которое является проводником магнитного поля внутри двигателя.
Итак попробуем все эту радость запустить...что же нам требуется?
1. Электрическое поле.
Тут все просто. Между анодом и катодом включается источник питания заданной мощности (он называется разрядным). Следствии чего внутри канала (этот зазор между кольцами 3) появляется продольное электрическое поле (рисовать лень, просто представьте пучок прямых линий от точки 2 к срезу справа).
2. Магнитное поле.
Как я уже писал в прошлом посту, магнитное поле в данном двигателе играет роль фокусировки. Не только. Оно еще тормозит электроны от катода на срезе камеры...
Итак, у нас 2 соленоида. Если их подключить к источникам тока и соблюсти полярность, то внутри камеры возникнет поперечное магнитное поле. Примерно так:
1, 2 - магнитные катушки, 3 – анод, 4 – ноль поля в канале, 5 – Максимум поля на срезе канала
Округлые линий это линии магнитного поля. Поле создается таким образом, что бы внутри канала оно было минимально, а на срезе максимально (точки 4 и 5).
Как происходит фокусировка? Изменением соотношения тока в магнитных катушках. Больше тока - больше поле от катушки и наоборот, соответственно катушки взаимодействуя друг с другом начинают изгибать магнитное поле в канале.
На этой картинке видно, что поле можно изогнуть по разному и наши ионы полетят в основном туда, куда показывает стрелка Е.
Но поле еще удерживает электроны, хотя мы уже подали электрическое поле, которое электроны ускоряет....если в этот момент, не подавая магнитного поля, отсыпать из катода электронов, то они просто ударят в анод. Загорится токовая дуга, сработает защита (если она у вас есть) и вы с матюгами пойдете чинить то, что от двигателя осталось.
Влетая же в область магнитного поля, электроны затормаживаются и начинают дрейфовать вдоль линий магнитного поля.
3. Электроны.
Что бы добыть электронов (а нам их очень много надо), требуется катод. В летных двигателях используются полые накальные катоды. Это капсула, внутри которой в специальной чашке лежит термоэмиттер (как правило это гексаборид лантана LaB6). Эта чашка подключена к 2м проводникам, подавая ток на них мы разогреваем эмиттер. Так же есть 3 проводник, подав на который часть разрядного напряжения инициируется разряд. А так же туда, как и в двигатель, надо подать рабочее вещество (поскольку я про него еще не рассказал, просто помните что на моменте прогрева катода, оно там уже есть).
Итак мы греем катод...эмиттер начинает выбрасывать из себя электроны и они под действием электрического поля между катодом и анодом устремляются к аноду. Но на влете в двигатель они тормозятся магнитным полем. Они начинают там дрейфовать и уже гораздо медленнее смещаются к аноду. А тем временем электронов в этой области становиться все больше... и вот в плоскости где на предыдущей картинке нарисована стрелка В, образуется больше количество электронов. Эта область таким образом приобретает отрицательный заряд (это место теперь называется виртуальным проводником). Теперь у нас все есть для ускорения ионов...анод под + потенциалом, а на срезе область виртуального проводника с - потенциалом. Вся схема подключения выглядит примерно так.
Но нам что то не хватает....
4. Рабочее вещество.
Чего сидим, кого ждем? что ускорять будем? Да в самом деле ускорить в ЭРД можно что угодно...только доведи его до состояния газа и развлекайся. Однако все же есть то что ускорять стоит, а что то бессмысленно. Нам надо получить высокий КПД у двигателя...а он складывается по следующей формуле
Где F- это тяга двигателя в мН, m - массовый расход рабочего вещества в мг/с, N - мощность затраченная на работу в Вт.
Итак нам надо подать как можно меньше газа, затратить как можно меньше энергии и при этом получить большую тягу. Поскольку ускорение мы производим электричеством с помощью ионизации, нам нужно вещество, которое очень легко ионизуется и при этом много весит.
Итак, смотрим, что у нас легко ионизуется: Литий, Натрий, Калий, Рубидий, Цезий. Потенциал ионизации меньше 7 эВ (это значит что электрон должен иметь такую энергию при столкновении с атомом этого вещества что бы ионизовать его). Но это все твердые вещества, а некоторые очень опасные из-за своих химических свойств (хотя на литии двигатель делали...ничем хорошим не закончилось). Теоретически хорошо подошел бы Цезий, но я в жизни никогда к лабе не подойду, если там такие испытания начнутся.
Опасное нам не подходит, значит отбросим и Рений, который также радиоактивен. Гелий и Неон тоже выбросим, так как они легкие и потенциал ионизации у них конский. Остаются Аргон, Криптон и Ксенон - это инертные газы с относительно малым потенциалом ионизации. Как можно догадаться из графика, чаще всего используют Ксенон. Он тяжелый (номер 54) и легко ионизуется (12 эВ). Он и используется в летных двигателях в космосе. Но минус в том, что на нашей планете его очень мало, и стоит он овер до фига (900р/литр). Мы постоянно ведем работы по переходу на Криптон, и достигаем некоторых успехов.
Итак, ладно отвлеклись. У нас уже есть электрическое и магнитное поле. Катод прогрет, дает электроны (в него РВ мы подали чуть раньше, если помните). Теперь подаем РВ в анод-газораспределитель. Он внутри себя представляет набор камер с отверстиями, которые равномерно распределяют газ по разрядной камере. Перед анодом скапливается нейтральный газ.
В этот момент мы подаем часть разрядного напряжение на электрод поджиг в катоде. Внутри катода загорается дуга и выброс электронов становиться лавинообразным. Эти электроны с большей энергией влетают в канал, чуть меньше тормозятся магнитным полем и встречаются с рабочим веществом. Происходит ионизация электронным ударом.
После этого напряжение с поджига можно снять - процесс пошел. У нас в камере уже не только все время пребывающий инертный газ, но и область с его ионами тоже постоянно растущая. И тут ионы понимают (тупые они ничего они не понимают, тут физика срабатывает), что они положительно заряжены, а их под попу подпирает еще более положительно заряженный анод, а на выходе, где свет в конце тоннеля, отрицательно заряженная область виртуального проводника. И тут же получают пинка под зад от анода и, ускоряясь, вылетают из двигателя, создавая тягу. Вылетают, кстати, со скоростями около 10-30 км/с (Это удельный импульс тяги, который потом передается спутнику). Но тут случается неувязочка: как только начинается ускорение, пучок разваливается. Ионы же тоже друг другу не бро, ведь все + заряжены, и начинают отталкиваться друг от друга, потому что электронов, которые остались после ионизации и были утянуты в ускорение, очень мало.
Но тут опять отыгрывает партию катод (по правильному он называется катод-компенсатор): он не только выдает электроны в область канала, но и создает электронное облако перед двигателем. Ионы, пролетая через это облако, утаскивают сколько надо электронов для компенсации заряда, и плазменный пучок не рассыпается.
Вроде все хорошо? все подали, пучок есть? да нет пучка. Забыли мы важную вещь: не работают эти двигатели на воздухе. И вот почему:
Работает сразу два фактора
1. Когда в области работы есть избыток других газов, они могут оказаться более подвижными и, соответственно, успевают залететь в канал двигателя и ионизоваться быстрее, чем РВ. А это значит что вы начинаете тратить энергию на ионизацию легких газов с большим потенциалом ионизации, КПД падает.
2. Принцип "опущенной струи". Представьте, вы берете в руки садовый шланг. Открываете кран на все деньги. Вы чувствуете отдачу шланга, струя бьет метра на 3... А теперь вы опускаете конец шланга в бочку с водой. Отдачи нет, струи нет все захлебнулось. Так же и с двигателем: он может работать только в вакууме. В космосе с этим проблем нет, а на Земле мы используем для это вакуумные камеры, в которых создаем вакуум близкий к космическому (но про это будет следующий пост, если пожелаете).
И вот мы все запустили...кстати вы можете определить, на чем собственно запустились по цвету плазмы
Картинка взята с сайта Busek.
Но сколько же у нас все это проработает? Помните белые кольца из которых состоит канал? Это керамика. БГП-10 Боросил горяче печеный (почему именно он, объяснять очень долго и сложно). Вот пока он не сгорит, все будет работать. Дело в том, что поток плазмы как бы слизывает и уносит с собой часть керамики. А когда она закончится, начнет слизывать металлические части двигателя, что повлечет за собой изменение магнитного поля и понижение характеристик. Время, которое может выдержать канал двигателя, называется Ресурс. Для маленьких спд, таких как спд-40 он составляет 1000ч, для больших как СПД-140 - 15000 часов. Столько двигатель сможет отработать на спутнике.
Вот два двигателя. СПД-100 слева и СПД-85 справа. СПД-85 еще не работал вообще, а СПД-100 отработал уже около 4000 часов. Видите, на СПД-100 на срезе керамика белая а внутри черная? Это называется граница зоны эрозии, там где керамика белая, ее срезал поток плазмы.
Это та же СПД-100 вблизи, изначально керамика была цилиндрическая. Вы можете наблюдать какую форму она приняла.
Ну, вроде рассказал более менее доступно. Сейчас я сваливаю в долгожданный отпуск, поэтому рассказ про вакуумную камеру будет через 2 недели (если конечно всем еще не надоело). Простите что пост получился такой большой, но поверьте, я и так все сократил по максимуму. Надеюсь хоть кто то дочитает.
Всем бобра и космических высот!
В честь праздника вот вам две фотки вчерашней работы двигателя СПД-140.
Длинный рассказ о космических двигателях СПД. Часть 1 - История вопроса
Здравствуйте, пикабушники!
Данный пост появился в следствии того, что вчера появился этот пост:
https://pikabu.ru/story/prostyim_yazyikom_o_kosmicheskikh_dv...
И я имел неосторожность оставить там комментарий, сказав, что работаю создавая и испытывая космические двигатели. Это привело к тому, что у меня вдруг появился рейтинг, достаточный для выкладывания картинок и 30 человек ждущих моего рассказа...чтож вот вам рассказ...
Как читатель может узнать из поста, ссылка на который дана выше, на данный момент существует 2 основных типа космических двигателей, и это:
1. ЖРД- это так называемые толкачи и разгонники. С их помощью мы отрываем тело от нашей планеты (попутно сжигая овер дофига тонн топлива и окислителя) и придаем этому телу достаточную для того что бы оно обратно на нас не свалилось. Большие, мощные, очень тяжелые и сложные. В них происходит химическая реакция взаимодействия топлива с окислителем.
2. ЭРД - электрореактивные двигатели. Это довольно большое семейство различных двигателей, которые имеют гораздо меньшие размеры. Однако и меньшую тягу...поэтому и не могут оторвать ничего от Земли...так? Ну если честно то эти двигатели вообще не могут работать на Земле, они работают исключительно в безвоздушном пространстве (почему это так расскажу, когда буду описывать конструкцию и подробно принцип работы). В общих чертах они все работают так: подаем рабочее тело (обычно газообразное), ионизуем его каким нибудь способом, а затем ускоряем электрическим полем.
Итак я сверх кратко написал, что же бывает. Все мои дальнейшие повествования буду об одном конкретном типе ЭРД - СПД (Стационарный плазменный двигатель), ну и немного о рядом стоящих.
Но все целесообразно начинать с истории вопроса...поэтому этот пост посвящен ему.
Впервые, возможность применения ЭРД была предсказана К.Э. Циолковским в своей рукописи 1903 года "Исследование мировых пространств реактивными приборами", а первейшие практические разработки были осуществлены В.П. Глушко в 1929-1933гг.
Однако более плотно этим занялись после 4 октября 1957 г., когда был запущен первый искусственный спутник Земли. В ОКБ-1, под руководством Королева начались разработки ЭРД. Так же Королев инициировал разработку ЭРД в ряде других организаций, среди которых было ИАЭ им. И.В. Курчатова. Первым там была разработана электроракетная двигательная установка на основе импульсных плазменных двигателей, она же первая среди ЭРД была испытана на борту КА Зонд-2 в 1964г. После того как идея показала свою состоятельность, вышло Постановление Совета Министров СССР, обязывающее ОКБ-1 и остальные организации осуществить разработку ракет-носителей, аппаратов, ядерных энергоустановок и ЭРД.
Ну против Постановления не попрешь, долго ли, коротко ли но в 1957 г. сотрудник ИАЭ А.В. Жаринов предложил конструкцию двигателя типа ДАС (двигатель с анодным слоем). Идея состояла в создании в ускорении ионов газа в узком двойном электрическом слое. Однако однако сколько уважаемый Жаринов не бился, повезло не ему, а другому сотруднику ИАЭ. ДАС так никогда в космос и не полетел, хотя от СПД отличаться не слишком кардинально.
А вот кому повезло...знакомьтесь
Алексей Иванович Морозов (1928-2009), д.ф.-м.н., лауреат гос премии СССР в области науки и техники, награжден медалью Международного общества электроракетных двигателей - высшей наградой для специалистов в области ЭРД.
Про него даже статья на вики есть...правда очень скудная.
Он в свою очередь чуть позже Жаринова предложил свою конструкцию...двигатель СПД. Почему стационарный? да потому что на соседней двери в курчатнике висела табличка "Импульсные плазменные двигатели"...вот и назвал.
Алексей Иванович, в отличае от Жаринова, сказал, что зона ускорения должна быть протяженной, а плазма для достижения большего эффекта должна фокусироваться магнитном полем. (В ДАС магнитное поле не фокусирует пучок, а только играет роль в создании анодного слоя).
Работы начались в 1962 году и к 1964 году была создана и испытана первая модель Е-1. И он не плохо так отработал на стенде:
Мощность до 6кВт, Удельный импульс тяги (скорость истечения струи) до 18 км/с и КПД до 40% (при работе на ксеноне). выглядело все примерно так: (срез двигателя справа)
Стенки разрядной камеры были сделаны из диэлектрика, а магнитные полюса сужались к срезу. Это позволяло достичь приемлемой картины силовых линий магнитного поля.
Дальше пошла оптимизация по подгонке магнитного поля и радиационному охлаждению. Следует отметить, что уже тогда эти двигатели при КПД около 30% обладали таким параметром как цена тяги (это сколько надо энергии вбухать на 1 единицу тяги) порядка 20кВт/Н, что было значительно ниже чем у всех остальных ЭРД такого класса, в том числе наиболее развитых на тот момент ионных двигателей.
Уже в 1968 г. было принято решение, что надо проводить летные испытания и это доверили ОКБ "Заря" г. Калиниград (ныне ОКБ "Факел"). Были проведены разработки и изыскания, в результате получился двигатель, спешно был создан катод. Ресурсные испытания показали, что двигательная установка проходит ресурс 1100 часов. В конце 1971 г. ИСЗ (искусственный спутник земли) "Метеор" с эксприментальным ЭРД, названной "Эол", поднялся в космос, а в 1972 г. были проведены первые летные испытания. То что улетело на борту Метеора выглядело уже так:
То, что снизу, это катодный блок. Данная конструкция имела следующие характеристики:
16-19 мН тяги при вкладываемой мощности 420-440 Вт. Ускоряющее напряжение при этом было 170-190 В, а скорость истечения струи 8-9 км/с.
В результате испытаний в космосе было получено следующее:
1. Была продемонстрирована работоспособность СПД в двигательной установке в течении примерно 200 часов при заданной ТЗ длительности работы не менне 100ч.
2. Были измерены тяга и другие параметры в космосе и проведено сопоставление с наземными испытаниями.
3. В результате работы одного двигателя в течении 170 часов была изменена высота орбиты ИСЗ с массой более 1 т. на 17 км, и спутнек вышел на условно-синхронную орбиту.
4. Была показана совместимость двигательной установки с другими системами корабля.
В результате испытания были признаны успешными, СПД как космический двигатель родился.
Дальше была поставлена задача регулярного применения СПД в космосе, но для этого требовалось решить много проблем.
Повысить ресурс двигателя, наладить разработку и производство, разобраться в физике процесса. Всвязи с этим многие организации подключились к работам в области СПД: ОКБ "Факел", МАИ, МИРЭА, ХАИ, МВТУ им. Баумана, МГУ и многие другие.
В данный момент основным и единственным изготовителем летных образцов СПД является ОКБ "Факел" г. Калиниград. Однако большую часть исследовательских и конструкторских работ проводят институт им. Келдыша, МАИ (в котором я и работаю), НИИТП и многие другие. За границей так же существуют компании занимающиеся разработкой СПД, однако все их двигатели изначально пошли от наших: европейский концерн Astrium, американская Busek, французская Snecma (их основной летный двигатель PPS1350 это кстати СПД-100 в чистом виде, они лицензию у Факела купили).
Вот такой вышел скомканный пост. Более подробно обо всем этом можно прочитать в книге "Стационарные плазменные двигатели Морозова"/ А.С. Архипов, В.П.Ким, Е.К. Сидоренко (картинки оттуда).
Я понимаю, что почти никто не понял "как это работает?", "почему ксенон?","что такое удельный импульс?" и тд., но этот пост был про историю, на все эти вопросы я постараюсь ответить в следующем посте, в котором как раз разберу типовую конструкцию СПД и объясню как и почему оно работает. Если конечно я всех слишком не разочарую этим постом.
Всем удачи!
Шесть машин, припаркованных на Луне: история луноходов
Многие помнят слова и движения первых людей, шагавших по поверхности Луны, но мы, кажется, стали забывать о небелковых героях освоения Луны — луноходах, первый из которых был советским, а последний — китайским.
"Луноход-1".
Первым самоходным аппаратом на Луне стал советский "Луноход". Его запустили в 1970 году, управляли по радио, с Земли. Эта посудина, напоминавшая чугунную ванну с антенной и на колёсах, стала первым рукотворным объектом, передвигавшемся по Луне.
Вскоре после прилунения выяснилось, что камеры лунохода расположены слишком низко; из-за этого машина оказалась "близорукой" и постоянно застревала в кратерах. Спасли восемь колёс, на которых луноход преодолевал подъёмы выше заложенной в проекте высоты.
Несмотря на это, "Луноход" честно отработал и переработал свои часы. Вместо запланированных 90 дней "Луноход" проработал почти год и проехал 10,5 км. Место, где он окончательно остановился, долго было неизвестно; только в 2005 году "Луноход" обнаружился на фотографиях, сделанных орбитальным лунным аппаратом NASA.
"Аполлон-15".
Первым пилотируемым самоходным аппаратом на Луне стал в 1971 году лунный ровер, на котором катались астронавты Дэвид Скотт и Джеймс Ирвин. Через несколько минут после начала поездки Скотт начал жаловаться на качку: притяжение Луны было слишком слабо, чтобы удерживать разогнавшийся луноход, и машина подпрыгивала, отрываясь от грунта всеми колёсами сразу. Развивать максимальную скорость было тогда довольно безопасно: во‑первых, маршрут был тщательно составлен с учётом всех возможных препятствий, а во-вторых, как отметил в радиопередаче на Землю один из пассажиров, не было никакого встречного движения.
"Аполлон-16".
Второй американский самоходный аппарат доставила на естественный спутник Земли миссия "Аполлон-16". На нём астронавты преодолели уже 27 километров — и подобрали "Биг Мали", самый большой образец лунного грунта, доставленный на Землю. Имя 11-килограммовый кусок реголита получил в честь главного геолога миссии.
В конструкции лунохода исправили один существенный недостаток, который сильно помешал экипажу "Аполлона-15": увеличили длину ремня безопасности, который астронавты предыдущей миссии долго не могли застегнуть — мешали раздувшиеся при низком давлении скафандры.
"Аполлон-17".
Юджин Сернан, командир экипажа "Аполлона-17", провёл несколько драгоценных часов лунной миссии, занимаясь починкой крыла лунохода. В ход пошли бумажные лунные карты, изолента и детали посадочного модуля. Ровер семнадцатого "Аполлона" развивал рекордные на тот момент 18 км/ч. Его водитель, Сернан, 14 декабря 1972 года стал последним человеком, ступавшим на Луну; с тех пор лунные моторы обходились без водителей.
"Луноход-2"
Второй советский беспилотный самоходный аппарат прибыл на Луну в 1973 году за рекордами. Во‑первых, он был в самой серьёзной весовой категории: его 840 килограммов стали рекордными в плане доставки грузов на поверхность Луны. Во‑вторых, он прошёл больше предшественников — свыше 37 километров (среди всех планетоходов этот рекорд побил только марсоход "Оппортьюнити" в 2014 году). Путешествие "Лунохода-2" прекратилось из-за пыли, покрывшей солнечные панели; для продолжения движения не хватало электроэнергии.
А в 1993 году его… купили на аукционе в Нью-Йорке. Предприниматель Ричард Гарриотт заплатил за "Луноход-2" 68,5 тысяч долларов и стал единственным в мире владельцем собственности, находящейся за пределами Земли.
Китайский луноход "Юйту".
Третьей после СССР и США страной, сумевшей посадить аппарат на Луну, стал Китай. Колёса лунохода Юйту подняли лунную пыль в 2013 году, через 40 лет после того, как на Луне остановился предыдущий последний аппарат. Весил он всего 140 килограммов и был куда меньше, чем американские лунные багги и советские тяжеловесы. Прошёл он всего ничего — чуть больше 100 метров за месяц, и застрял навсегда.
Будущее "Хаббла"
Космический телескоп НАСА и Европейского космического агентства "Хаббл" находится на околоземной орбите уже больше четверти века. За это время с его помощью сделано множество замечательных открытий. Но что будет дальше? В данном видео учёные, работающие с этим телескопом, делятся своим взглядом на будущее "Хаббла" и рассказывают о том, что он ещё может сделать сегодня для науки.
Строительство телескопа-гиганта
Европейский чрезвычайно большой телескоп (European Extremely Large Telescope, E-ELT) станет самым крупным в мире телескопом оптического и ближнего инфракрасного диапазона. Это видео от Европейской южной обсерватории рассказывает о первом этапа строительства ЕЧБТ, начавшемся в 2014 году.
Физики из России нашли объяснение удивительному свойству графена
Физики из России нашли объяснение тому, почему добавление графена в некоторые полимеры заставляет их вырабатывать электричество при сжатии и растягивании, и нашли способ улучшить их качества, сообщает пресс-служба Института математических проблем биологии РАН.
Графен представляет собой одиночный слой атомов углерода, соединенных между собой структурой химических связей, напоминающих по своей геометрии структуру пчелиных сот. Он отличается высокой прочностью и уникальными электрическими свойствами. За создание графена выходцам из России Константину Новоселову и Андрею Гейму была присуждена Нобелевская премия 2010 года по физике.
Как оказалось, пьезоэлектрические свойства этих материалов сильно зависели от того, на каком расстоянии друг от друга находились частички «нобелевского углерода» и молекулы полимеров. Если это расстояние было даже незначительно меньше или больше оптимальной дистанции между молекулами и графеном, то тогда сила эффекта уменьшалась и материал начинал хуже преобразовать механическую энергию в электрический ток.
Раскрыв корни необычного поведения графена, Быстров и его коллеги просчитали несколько оптимальных вариантов расположения наночастиц и молекул полимеров. Эти расчеты, как надеются ученые, помогут графеновым пьезоэлементам быстрее проникнуть в промышленность и быт россиян и жителей других стран.
Открытие подобных свойств у графена, по словам ученых, открыло дорогу для создания очень эластичных, легких и прочных полимерных пьезоматериалов, однако физики столкнулись с проблемой – их свойства менялись совершенно неожиданным и необъяснимым образом при изменении структуры. К примеру, когда физики добавляли графен в полимерный материал, изначально обладающий пьезоэлектрическими свойствами, его характеристики ухудшались, а не улучшались, как этого ожидали ученые.
Для решения этой загадки Быстров и его команда создали компьютерную модель подобных материалов, и проанализировали то, как менялись их свойства на уровне отдельных электронов и атомов при добавлении туда графена.
Как отмечают Владимир Быстров из Института математических проблем биологии РАН и его коллеги, одним из самых необычных свойств графена является то, что добавление наночастиц из этого «нобелевского» материала резко меняет свойства многих полимеров, способных превращать механические колебания в электрический ток.
Феномен возникновения электрического тока при сжатии или механической деформации определенных материалов, так называемый пьезоэлектрический эффект, был открыт в конце 19 века французскими физиками Жаком и Пьером Кюри. За последующие полтора века данное свойство нашло свое применение как в быту — в виде источника напряжения в зажигалках и чувствительного элемента в микрофонах, так и в науке, где пьезоэлектрический эффект используется для сверхточного манипулирования микроскопическими приборами.
Источник : http://helpform.ru/869777