В Японии сделали двигатель из кристаллов и смолы

Электродвигатель состоит из меди, магнитов и металлического ротора. Ток протекает через катушки, создает магнитное поле и заставляет ротор вращаться. Этот принцип работает в электромобилях, стиральных машинах и другой технике уже более века. Однако для магнитов требуются редкоземельные металлы, такие как неодим или диспрозий.которые являются дорогостоящими и сконцентрированы в нескольких горнодобывающих странах, а медь становится все более дефицитной на рынке.

Ученые Токийского института науки создали прототип двигателя. который обходится без всех этих материалов. Вместо металла и магнитов они использовали жидкие кристаллы и ротор, напечатанный на 3D-принтере. Двигатель приводится в действие силой, которую физики описали более века назад, но до сих пор считали, что она слишком слаба, чтобы от нее можно было что-либо использовать.

Что такое сила Максвелла?

Когда напряжение добавляется между двумя электродами, создается электрическое поле. Это поле создает не только силу притяжения между плитками, но также и сила, действующая латерально, перпендикулярно направлению поля. Эта так называемая «Поперечная сила Максвелла» была теоретически описана еще в девятнадцатом веке.

Фактически электростатические двигатели, использование электрического поля вместо магнитного не является новой идеей. Уже в 1840-х годах с ними экспериментировали шотландский физик Эндрю Гордон, а позже Бенджамин Франклин, но их конструкции были основаны на силе притяжения и требовали очень высокого напряжения.

В последующие двести лет ситуация не сильно изменилась. Стартап C-Motive Technologies из Висконсина работает над электростатическими двигателями с алюминиевыми дисками, которые тестируются такими компаниями, как FedEx и Rockwell Automation. но эти конструкции также используют силу притяжения между заряженными пластинами и требуют напряжения в десятки мегавольт на метр.

Двигатель, использующий жидкие кристаллы

Прорыв произошел в 2017 году, когда две независимые исследовательские группы обнаружили новый тип материала – так называемый «полярные нематические жидкие кристаллы». Они жидкие, но реагируют на электрическое поле в тысячи раз сильнее, чем обычные диэлектрические материалы. Их относительная электропроницаемость превышает 10 000, тогда как у обычных материалов достигают значений от 1 до 10.

Команда профессора Сузуси Нисимуры из Токийского института науки поместила такие сегнетоэлектрические жидкие кристаллы между двумя электродами на расстоянии 2,5 мм друг от друга и подала постоянное напряжение всего 80 вольт. Измеренная сила была примерно в тысячу раз больше чем у обычных диэлектрических материалов. Для сравнения: ни силиконовое масло, ни обычные жидкие кристаллы не двигаются в тех же условиях.

«Эта сила была теоретически предсказана более ста лет назад, но никто никогда не видел ее невооруженным глазом. Быть первым, кто увидел это, было действительно захватывающим моментом», — сказал профессор Сузуси Нисимура, возглавлявший исследование.

Не менее важным оказалось и то, как сила увеличивается с напряжением. В обычных материалах она увеличивается пропорционально квадрату напряжения — для достижения заметно большей силы напряжение необходимо значительно увеличить. В сегнетоэлектрической жидкости зависимость линейная. – Небольшое увеличение напряжения напрямую приводит к увеличению силы.

Как работает двигатель из кристаллов и смолы?

Поскольку жидкость может перемещаться вбок, ее также можно использовать для вращения ротора. Из этой логики рождается прототип. Команда Нисимуры построила статорный двигатель. состоящий из трех пар электродов и ротора, полностью изготовленного из синтетической смолы. Когда ротор шире одного электрода, поперечная сила действует только на одну сторону и толкает его в определенном направлении. Последовательное приложение напряжения к последовательным парам электродов — по сути аналогично трехфазному двигателю, но без магнитного поля — создает непрерывное вращательное движение.

«Наши эксперименты показали, что ротор двигателя больше не обязательно должен быть металлическим. Поначалу это звучало невероятно. Но однажды мы доверились данным и имы построили ротор полностью из пластика, он действительно начал работатьНишимура подтвердил.

Требуемая напряженность поля составляла всего 0,03 МВ/м – примерно в тысячу раз ниже, чем в существующих электростатических двигателяхкоторые требуют от десятков до сотен МВ/м. Двигатель вращается стабильно и тихо, управляется напряжением от 0 до 60 В.

Найдёт ли жидкокристаллический двигатель своё место в автомобилях?

Еще нет. Прототип миниатюрен, а сегнетоэлектрическую жидкость необходимо поддерживать при температуре 46-48 градусов Цельсия. который сам потребляет энергию. Исследователи еще не опубликовали данные о крутящем моменте или мощности – а без этих цифр трудно говорить об использовании их для чего-либо.

Однако в конструкции есть особенности, которые могут оказаться ценными в других сферах, например, в медицинском оборудовании или устройствах хранения данных. Огромным преимуществом является то, не требует редкоземельных металлов или медиа пластиковый ротор теоретически можно напечатать на 3D-принтере.