Neue Herkules-Materialien

Flugzeugtragflächen oder Hubschrauberrotoren aus Materialien, die durch elektrische Steuerung ihre Form verändern können, sind seit langem ein Traum von Luftfahrtingenieuren. Es ist eine Anwendung, die die Leistung und Treibstoffeffizienz von Flugzeugen deutlich verbessern würde. Aber das richtige formwandelnde Material dafür hat sich als schwer fassbar erwiesen.

Jetzt haben Forscher am MIT einen vielversprechenden Ansatz entdeckt, der den Mechanismus nutzt, der schließlich dazu führt, dass Ihr Laptop-Akku Scheitern : die Ausdehnung und Kontraktion von Elektrodenmaterialien in der Batterie. Dies ist ein klassischer Fall von Zitronen nehmen und Limonade machen, sagt Yet-Ming Chiang , ein Professor für Materialwissenschaften und Ingenieurwissenschaften am MIT, der an dem Projekt arbeitet. Artikel, die die Arbeit beschreiben, werden in den kommenden Ausgaben von erscheinen Fortschrittliche Funktionsmaterialien und Elektrochemische und Festkörperbuchstaben .

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Ein Großteil der früheren Forschungen zu formverändernden Materialien betraf Piezoelektrika, Materialien, die ihre Form als Reaktion auf Elektrizität ändern. Aber Chiang sagt, er habe vor langer Zeit entschieden, dass Piezoelektrika für so rigorose Anwendungen wie das Morphing von Hubschrauberrotoren nicht funktionieren würden.



Seit Jahren haben Forscher auf dem verwandten Gebiet der Batterien das Problem, dass Ionen, die sich von einer Elektrode zur anderen bewegen, beim Laden der Batterie bewirken, dass sich das Elektrodenmaterial ausdehnt und sich dann wieder zusammenzieht, wenn sich die Batterie entlädt. Diese Eigenschaft kann dazu führen, dass die innere Struktur der Batterie mit der Zeit auseinanderbricht; Daher haben Forscher nach Materialien gesucht, die nicht unter der Wirkung leiden. Aber als Chiang ausrechnete, wie viel mechanische Energie diese Expansion beinhalten könnte, überkam ihn ein Moment der Euphorie. Spätere Experimente zeigten, dass Batterien die erforderliche mechanische Energie haben, um eine Last zehnmal so weit zu bewegen wie Piezoelektrika.

Die Leistung des Akkus hat jedoch einen Kompromiss: Geschwindigkeit. Piezoelektrika können problemlos mit mehreren tausend Zyklen pro Sekunde arbeiten, sagt Chiang. Die Erweiterung des Akkus ist jedoch durch die Ladezeit begrenzt. Je nachdem, wie viel Bewegung erforderlich ist, kann dies laut Angaben von etwas mehr als einer Minute bis zu einem beträchtlichen Bruchteil einer Stunde dauern Steven Hall , ein Professor für Luft- und Raumfahrt am MIT, der an dem Projekt beteiligt war. Die Forscher hoffen, dies zu verbessern, indem sie die Ladezeit einer Batterie verkürzen.

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Chiang arbeitet auch daran, physikalisch stärkere Batterien zu entwickeln, die die mechanische Energie der Elektrode besser nutzen können.

Aber bereits im Handel erhältliche Batterien reichen aus, um ein Demonstrationsmodell zu bauen, das die Forscher Anfang nächsten Jahres fertigstellen wollen. Schließlich wird eine Reihe von Batterien in das Rotorblatt eingesetzt und verwendet, um es gezielt zu morphen.

Eine solche Formänderung wird es den Ingenieuren ermöglichen, einen Kompromiss zu vermeiden, der das Herzstück des Hubschrauberdesigns war. Hubschrauber sind für zwei sehr unterschiedliche Dinge gebaut – schweben und kreuzen. Infolgedessen schneiden sie weder besonders gut ab. Die Möglichkeit, die Rotorform im Flug zu ändern, könnte sie für diese beiden Funktionen optimieren. Chiang und Hall berechnen, dass ein Helikopter dann mit etwa einem Prozent weniger Treibstoff operieren könnte, eine Einsparung, die sich im Laufe der Zeit erheblich summieren könnte. Alternativ könnten Militärhubschrauber zwei zusätzliche Truppen befördern oder besser bei Höhenoperationen in den Bergen arbeiten.

Rotoren könnten auch nur der Anfang sein. Chiang und Hall weisen auf Anwendungen in Flugzeugen hin, bei denen veränderte Flügelformen während des Fluges ähnliche Verbesserungen in Leistung und Effizienz bringen könnten. Sie könnten auch nützlich sein, um Solarzellen aktiv zu drehen, um der Sonne zu folgen, oder um Solarzellen und andere Anhängsel von Satelliten einzusetzen, sobald sie den Weltraum erreichen.

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