В Япония направиха двигател от кристали и смола

Електрическият мотор се състои от мед, магнити и метален ротор. Токът преминава през намотките, създава магнитно поле и кара ротора да се върти. Този принцип работи за електрически автомобили, перални машини и други уреди повече от век. Въпреки това, магнитите изискват редкоземни метали като неодим или диспрозий, които са скъпи и концентрирани в няколко държави за добив, а медта става все по-рядка на пазара.

Учени от Института по наука в Токио са създали прототип на двигател, който се справя без всички тези материали. Вместо метал и магнити, те използваха течни кристали и ротор, отпечатани на 3D принтер от смола. Двигателят се задвижва от сила, която физиците са описали преди повече от век, но досега са смятали за твърде слаба, за да има каквато и да е употреба.

Каква е силата на Максуел?

Когато напрежението се добави между два електрода, се създава електрическо поле. Това поле създава не само привличаща сила между плочките, но и сила, действаща встрани, перпендикулярна на посоката на полето. Тази така наречена „Трансверзална сила на Максуел’’ е теоретично описана още през деветнадесети век.

Всъщност, електростатичните мотори, използващи електрическо поле вместо магнитно, не са нова идея. Още през 40-те години на XIX век шотландският физик Андрю Гордън, а по-късно и Бенджамин Франклин, експериментират с тях, но техните конструкции са базирани на силата на привличане и изискват много високи напрежения.

През следващите двеста години това не се промени много. Стартъпът C-Motive Technologies от Уисконсин работи върху електростатични мотори с алуминиеви дискове, които се тестват от компании като FedEx и Rockwell Automation, но тези конструкции използват и силата на привличане между заредените плочи и изискват напрежения от десетки мегаволти на метър.

Двигател, който използва течни кристали

Пробивът дойде през 2017, когато две независими изследователски групи откриха нов тип материал – т.нар. „полярни нематични течни кристали’’. Те са течни, но реагират на електрическото поле хиляди пъти по-силно от обикновените диелектрични материали. Тяхната относителна електрическа пропускливост надвишава 10 000, докато конвенционалните материали достигат стойности от 1 до 10.

Екипът на професор Сузуши Нишимура от Института по наука в Токио постави такива фероелектрически течни кристали между два електрода на разстояние 2,5 мм и приложи постоянното напрежение само 80 волта. Измерената сила беше около хиляда пъти по-голяма от тази на обикновените диелектрични материали. За сравнение, нито силиконовото масло, нито конвенционалните течни кристали показват движение при същите условия.

„Тази сила е била предсказана теоретично преди повече от сто години, но никой никога не я е наблюдавал с невъоръжено око. Да бъда първият, който го видя, беше наистина вълнуващ момент," каза професор Сузуши Нишимура, който ръководеше изследването.

Също толкова важно се оказа как силата се мащабира с напрежението. В обикновените материали то се увеличава с квадрата на напрежението – за да се постигне осезаемо по-голяма сила, трябва значително да се увеличи напрежението. При фероелектрична течност връзката е линейна – малко увеличение на напрежението се превръща директно в увеличаване на силата.

Как работи двигател с кристали и смола?

Тъй като течността може да се премести настрани, тя може да се използва и за въртене на ротора. От тази логика се ражда прототип. Екипът на Нишимура построи мотор със статор, състоящ се от три двойки електроди и ротор, изцяло изработен от синтетична смола. Когато роторът е по-широк от един електрод, напречната сила действа само от едната страна и го тласка в определена посока. Последователно прилагане на напрежение към последователни двойки електроди – по принцип, подобен на трифазен мотор, но без магнитно поле – генерира непрекъснато въртене на движение.

„Нашите експерименти показаха, че роторът на двигателя вече не е необходимо да е метален. В началото това звучеше невероятно. Но след като се доверихме на данните и изградихме ротора изцяло от пластмаса, той наистина започна да работи“, потвърди Нишимура.

Необходимата сила на полето беше само 0,03 MV/m – около хиляда пъти по-ниска, отколкото при съществуващите електростатични двигатели, които изискват десетки до сто MV/m. Двигателят се върти стабилно и тихо, контролиран от напрежения от 0 до 60 V.

Ще намери ли течнокристалният двигател своето място в автомобилите?

Все още не. Прототипът е миниатюрен, а фероелектричната течност трябва да се поддържа при температура от 46-48 градуса по Целзий, което само по себе си консумира енергия. Изследователите все още не са публикували данни за въртящия момент или мощността – и без тези цифри е трудно да се говори за използването му за задвижване на каквото и да било.

Дизайнът обаче има характеристики, които биха могли да се окажат ценни другаде – например в медицинско оборудване или устройства за съхранение на данни. Огромно предимство е, че не изисква редкоземни метали или мед, а пластмасовият ротор теоретично може да бъде отпечатан на 3D принтер.