เครื่องบินพลังไอออน: ความฝันหรือเรื่องของเวลา? เครื่องบินลำแรกที่มีเครื่องยนต์ไอออนเปิดตัวในสหรัฐอเมริกา ลมไอออนิกที่ต้องทำด้วยตัวเอง

ตัวระบายความร้อน CPU แบบดั้งเดิม: แบบพาสซีฟ (พร้อมฮีทซิงค์) และแบบแอคทีฟ (พร้อมพัดลม)

ใกล้กับสิ่งแปลกใหม่: ตัวทำความเย็นการเปลี่ยนเฟส

การตั้งค่าการทดลองในห้องปฏิบัติการ Kronos Advanced Technologies

แผนผังของเครื่องทำความเย็น "ไอออนิก"

โฟโตไมโครกราฟอินฟราเรดของเครื่องทำความเย็นที่ใช้งานได้

วิธีการทำความเย็นที่ง่ายที่สุดและโบราณที่สุดคือการเพิ่มพื้นที่ผิว: เป็นที่ทราบกันดีว่าช้างต้องการหูขนาดใหญ่อย่างแม่นยำเพื่อทำให้ร่างกายที่ใหญ่โตเย็นลง ในทำนองเดียวกัน คุณสามารถขจัดความร้อนออกจากโปรเซสเซอร์ได้โดยการติดตั้งฮีทซิงค์พิเศษซึ่งเป็นชิ้นส่วนโลหะขนาดใหญ่ที่มีแผ่นจำนวนมากซึ่งเพิ่มพื้นที่ผิวของอุปกรณ์อย่างมาก ตามกฎแล้วหม้อน้ำทำจากทองแดงหรืออลูมิเนียม (โลหะเหล่านี้มีค่าการนำความร้อนค่อนข้างสูงและต้นทุนต่ำ) ข้อดีของการระบายความร้อนแบบพาสซีฟ ได้แก่ ความเรียบง่าย ความสามารถในการผลิต และไม่มีเสียงรบกวนโดยสมบูรณ์ อย่างไรก็ตาม ข้อเสียเปรียบหลักคือการไม่สามารถกระจายความร้อนจำนวนมากในเวลาอันสั้นได้ ฮีทซิงค์เพียงอย่างเดียวไม่สามารถระบายความร้อนสำหรับไมโครโปรเซสเซอร์สมัยใหม่ได้อีกต่อไป - ด้วยเหตุนี้จึงต้องใช้พัดลมช่วย

ในคอมพิวเตอร์สมัยใหม่ส่วนใหญ่ การกระจายความร้อนที่จำเป็นนั้นมาจากการไหลเวียนของอากาศที่พัดลมสร้างขึ้น ตามกฎแล้วจะใช้รูปแบบการระบายความร้อนแบบรวมซึ่งการไหลของอากาศจะถูกส่งตรงไปยังหม้อน้ำโลหะ การรวมกันของวิธีการระบายความร้อนแบบแอคทีฟและพาสซีฟช่วยให้คุณเพิ่มการกระจายความร้อนตามลำดับความสำคัญเมื่อเทียบกับหม้อน้ำธรรมดา แต่สิ่งสำคัญ (เราทุกคนรู้สึกไปเอง) การขาดพัดลมคือเสียงที่เกิดขึ้นระหว่างการทำงาน นอกจากนี้ไม่ช้าก็เร็วพวกเขาก็พังและต้องเปลี่ยนใหม่ - ซึ่งแตกต่างจากหม้อน้ำที่เงียบและเกือบจะเป็นนิรันดร์

วิธีการที่ได้รับความนิยมน้อยกว่าและค่อนข้างแปลกใหม่คือการระบายความร้อนด้วยน้ำ เมื่อเทียบกับอากาศ น้ำมีความจุความร้อนสูงกว่ามาก ดังนั้นจึงสามารถขจัดความร้อนได้มากกว่ามากต่อหนึ่งหน่วยเวลา ตามกฎแล้วระบบระบายความร้อนด้วยของเหลวถูกสร้างขึ้นตามรูปแบบที่เรียบง่าย: ปั๊มขนาดเล็กสูบน้ำในวงจรอุบาทว์ซึ่งเป็นผลมาจากการที่โปรเซสเซอร์ผ่านครั้งแรกรับความร้อนจากนั้นทำให้เย็นลงในหม้อน้ำ ซึ่งมักจะอยู่นอกยูนิตระบบ การระบายความร้อนด้วยน้ำของชิปไม่ได้ใช้กันอย่างแพร่หลายเนื่องจากวิธีนี้มีค่าใช้จ่ายสูงและซับซ้อน ปั๊มน้ำค่อนข้างเงียบกว่าพัดลม แต่ก็มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหวด้วย ซึ่งส่งผลเสียต่อความทนทานและความน่าเชื่อถือของระบบดังกล่าว

อย่างแน่นอน แนวทางใหม่การระบายความร้อนด้วยของเหลวถูกเสนอโดยบริษัท nanoCoolers ซึ่งผู้พัฒนาคาดเดาว่าจะใช้โลหะหลอมเหลวเป็นของเหลวในการทำงาน กล่าวคือ โลหะผสมที่ค่อนข้างยุ่งยากซึ่งประกอบด้วยอินเดียมและแกลเลียมเป็นส่วนใหญ่ "ของเหลวโลหะ" ดังกล่าวมีค่าการนำความร้อนสูงกว่าน้ำ แต่สิ่งสำคัญคือสามารถขับเคลื่อนผ่านท่อโดยใช้แรงแม่เหล็กไฟฟ้า และไม่จำเป็นต้องใช้ปั๊มเชิงกล อย่างไรก็ตาม เนื่องจากระบบดังกล่าวมีราคาสูง จึงยังไม่สามารถอ้างได้ว่าเป็นทางเลือกจำนวนมากสำหรับเครื่องทำความเย็นทั่วไป

บางทีการระบายความร้อนด้วยของเหลวประเภทที่แปลกใหม่ที่สุดคือระบบที่คอมพิวเตอร์แช่อยู่ในของเหลวที่ไม่นำไฟฟ้า ไฟฟ้า- ตัวอย่างเช่นในน้ำมัน ด้วยเหตุผลที่ชัดเจน ผู้ใช้ส่วนใหญ่ไม่สามารถใช้วิธีนี้ในทางใดทางหนึ่ง นอกจากนี้ยังมีระบบระบายความร้อนที่ทำงานในช่วงเปลี่ยนเฟส: ด้วยการขยายตัวอย่างรวดเร็ว สารทำงานจะผ่านจากสถานะของเหลวไปเป็นสถานะก๊าซและทำให้เย็นลงตามกฎของอุณหพลศาสตร์ ตู้เย็นและเครื่องปรับอากาศสมัยใหม่ทำงานบนหลักการนี้ และผู้ผลิตบางรายสามารถปรับให้เข้ากับส่วนประกอบของคอมพิวเตอร์ที่เย็นลงได้ เครื่องทำความเย็นแบบเปลี่ยนเฟสเป็นอุปกรณ์ที่ทรงพลังมาก แต่มีราคาแพงมาก: ผู้ใช้ที่กระตือรือร้นต้องจ่ายเงินหลายพันดอลลาร์เพื่อซื้อเครื่องทำความเย็นเหล่านี้

แต่ละวิธีเหล่านี้มีข้อดีและข้อเสียของตัวเอง - บางวิธีมีราคาแพงเกินไป บางวิธีไม่ได้ผลเพียงพอ และวิธีอื่น ๆ มีความน่าเชื่อถือต่ำและมีระดับเสียงสูง ดังนั้นคำถามเกี่ยวกับการสร้างอุปกรณ์ราคาถูกและเรียบง่ายที่สามารถระบายความร้อนโปรเซสเซอร์สมัยใหม่ได้อย่างมีประสิทธิภาพจึงยังคงเปิดอยู่ Kronos Advanced Technologies อ้างว่าได้เข้ามาใกล้เพื่อแก้ปัญหานี้แล้ว อุปกรณ์ดังกล่าวซึ่งกำลังพัฒนาที่ Kronos ใช้ลมไอออนิกจากการปลดปล่อยโคโรนาที่ปรากฏรอบๆ ตัวนำที่มีประจุเนื่องจากการแตกตัวเป็นไอออน สิ่งแวดล้อม, ของเหลวหรือก๊าซ.

นอกเหนือจากการปล่อยคลื่นวิทยุแล้ว การปล่อยโคโรนายังเป็นหนึ่งในแหล่งที่มาหลักของการสูญเสียพลังงานระหว่างการขนส่งไฟฟ้าผ่านสายไฟฟ้าแรงสูง ในขณะเดียวกัน การปล่อยโคโรนาพบว่ามีการใช้งานอย่างกว้างขวางในอุตสาหกรรมเครื่องถ่ายเอกสาร ระบบปรับอากาศและระบบฟอกอากาศ และอุปกรณ์อื่นๆ อีกมากมาย นักวิทยาศาสตร์ทราบมานานแล้วว่าอากาศสามารถถูกบังคับให้เคลื่อนที่ไปในทิศทางที่ถูกต้องได้ด้วยความช่วยเหลือของไอออไนเซชัน นักวิจัยคนแรกที่สังเกตเห็นการเคลื่อนที่ของอากาศใกล้กับท่อที่มีประจุคือ Francis Hawksby นักทดลองชาวอังกฤษซึ่งมีชีวิตอยู่เมื่อสามศตวรรษก่อน ปรากฏการณ์นี้เป็นรากฐานของการพัฒนาที่ดำเนินการโดย Kronos

คราวน์คูลเลอร์ทำงานดังนี้ สนามไฟฟ้าอันทรงพลังถูกสร้างขึ้นที่ส่วนปลายของแคโทดซึ่งอยู่ที่ด้านหนึ่งของโปรเซสเซอร์ เนื่องจากโมเลกุลของไนโตรเจนและออกซิเจนในอากาศแตกตัวเป็นไอออน ประจุบวกและพุ่งไปที่ขั้วบวกบน ฝั่งตรงข้าม. ในเวลาเดียวกัน พวกมันชนกับโมเลกุลของอากาศที่เป็นกลาง แจ้งให้พวกมันทราบขณะเคลื่อนที่ เป็นผลให้เกิดการไหลของอากาศที่มีประสิทธิภาพซึ่งส่งตรงจากแคโทดไปยังขั้วบวก - สิ่งนี้ทำให้โปรเซสเซอร์เย็นลงโดยไม่มีพัดลม

ข้อดีของวิธีการนี้ค่อนข้างชัดเจน: เครื่องทำความเย็นคราวน์ไม่มีชิ้นส่วนที่เคลื่อนไหว ทำงานเงียบสนิท ค่อนข้างประหยัด เรียบง่ายและกะทัดรัดมาก จากข้อมูลของ Igor Krichtafovitch ขนาดของต้นแบบที่สร้างขึ้นในปัจจุบันไม่เกินสองสามลูกบาศก์มิลลิเมตร ในขณะที่พวกมันสามารถระบายความร้อนได้เพียงพอสำหรับโปรเซสเซอร์พลังงานปานกลาง การเปิดตัวเชิงพาณิชย์ของเครื่องทำความเย็นดังกล่าวสามารถเกิดขึ้นได้ภายในสองปี

ในช่วงทศวรรษที่ 60 ดูเหมือนว่า "ไอโอเล็ต" จะเป็นนวัตกรรมและการปฏิวัติวงการวิทยาศาสตร์ มีการพูดคุยกันถึงขนาดว่าหลักการทำงานของมันสามารถใช้ในเครื่องบินขนาดเล็กและในกิจการทางทหารได้ เนื่องจาก "ไอโอเล็ตต์" ดังกล่าวไม่สร้างความร้อนและไม่สามารถตรวจพบได้บนเรดาร์ ในบางครั้งเนื่องจากไม่มีเสียงรบกวน พวกเขาต้องการแทนที่เฮลิคอปเตอร์ทั่วไปด้วย "ไอโอเล็ต" และสร้างแท่นบินพิเศษสำหรับการป้องกันขีปนาวุธและติดตามการจราจรบนท้องถนน

ปัญหาคือพลัง เทคโนโลยีนี้ทำงานได้ดีกับโมเดลขนาดเล็กอย่างที่เห็นในวิดีโอด้านบน แต่ก็ไม่เหมาะสำหรับการสร้าง "เครื่องบินไอออน" ที่ใหญ่ขึ้นเลย เราสามารถพูดได้ว่าเทคโนโลยีนี้ไม่อนุญาตให้พกพาแหล่งพลังงานของตัวเองขึ้นเครื่อง ไม่ต้องพูดถึงอุปกรณ์เพิ่มเติม และในเวลาต่อมาเทคโนโลยีก็เริ่มถูกลืม
เมื่อนักวิทยาศาสตร์จาก MIT ตัดสินใจกลับมาที่ประเด็นนี้ พวกเขาพบว่าในความเป็นจริงไม่มีการศึกษาอย่างจริงจังเกี่ยวกับลมไอออนิกและความเป็นไปได้ในการสร้างเครื่องยนต์จากลมไอออนิก ดังนั้นพวกเขาจึงตัดสินใจทำการทดลองโดยจ่ายกระแสไฟฟ้าหลายร้อยโวลต์ให้กับการออกแบบ "ไอโอเล็ต" ซึ่งเพียงพอที่จะทำให้หลอดไฟธรรมดาสว่างขึ้น

ผลลัพธ์ที่ได้นั้นน่าทึ่งมาก ทีมวิจัยพบว่าการขับเคลื่อนด้วยไอออนมีประสิทธิภาพมากกว่าเครื่องยนต์ของเครื่องบิน ตัวอย่างเช่น ในขณะที่เครื่องยนต์ของเครื่องบิน (เทอร์โบเจ็ต) ผลิตแรงขับได้ 2 นิวตันต่อกิโลวัตต์ เครื่องยนต์ไอออนขับดันสามารถผลิตได้ 110 นิวตันต่อกิโลวัตต์ ยิ่งไปกว่านั้น ปรากฎว่าเครื่องยนต์ดังกล่าวมีประสิทธิภาพสูงสุดในการให้แรงขับต่ำ กล่าวอีกนัยหนึ่ง พลังงานไม่สูญเปล่า

แม้จะมีการค้นพบที่ค่อนข้างเป็นไปได้นี้ แต่เราก็ไม่ควรคาดหวังว่าเราจะสามารถมองเห็นและบิน "เครื่องบินไอโอโนพลา" ได้ในอนาคตอันใกล้นี้ ท้ายที่สุดแล้ว แม้ว่าเทคโนโลยีจะมีประสิทธิภาพ แต่ก็ต้องใช้พลังงานในปริมาณที่สูงมากเพื่อขับเคลื่อนมัน แม้แต่ในการยกวัตถุขนาดเล็กขึ้นไปในอากาศก็ยังต้องใช้พลังงานเมกะโวลต์ ดังนั้น นักวิทยาศาสตร์ยังคงต้องไขข้อสงสัยเกี่ยวกับวิธีการยัดพลังงานที่เกิดจากโรงไฟฟ้าทั้งหมดลงในเครื่องบิน

อย่างไรก็ตามลักษณะและคุณสมบัติของเครื่องยนต์ไอออนทำให้เรามีข้อโต้แย้งว่าเมื่อเครื่องยนต์เพิ่มขึ้นระยะห่างระหว่างขั้วบวกและแคโทดก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน ดังนั้น ในการบินขึ้นจากพื้นดิน "เครื่องบินไอออน" จึงจำเป็นต้องมีเครื่องยนต์ขนาดใหญ่ที่เครื่องบินจะอยู่ภายในเครื่องยนต์นี้ และนั่นหมายความว่า "ไอโอเล็ต" จะมีขนาดใหญ่มาก เป็นทรงกลม โดยมีดาดฟ้าหลักอยู่ตรงกลาง

ใครจะไปรู้ว่าวันหนึ่งเราจะได้เห็นจานบินเงียบจริงๆ

มอสโก 21 พฤศจิกายน - RIA Novostiนักวิทยาศาสตร์ของ MIT ได้สร้างเครื่องบินลำแรกที่ขับเคลื่อนด้วยไอออนขับดัน "ในอากาศ" และประสบความสำเร็จในการทดสอบในห้องแล็บ การบินเปิดตัวของรถยนต์ใช้เวลาเพียง 12 วินาที ตามบทความที่ตีพิมพ์ในวารสาร Nature

จิตวิญญาณแห่งนวัตกรรม

แนวคิดในการสร้างเครื่องยนต์ไอออนนั้นยังห่างไกลจากสิ่งใหม่ - ความคิดดังกล่าวเกิดขึ้นครั้งแรกในหมู่นักออกแบบโซเวียตและอเมริกันในยุค 60 ของศตวรรษที่ผ่านมา ในช่วงครึ่งศตวรรษที่ผ่านมา ยานอวกาศหลายลำที่ติดตั้งเครื่องยนต์ที่คล้ายกันได้เปิดตัวพร้อมกัน - ยานสำรวจของโซเวียตในซีรีส์ Meteor และ Kosmos, ดาวเทียมภูมิอากาศ GOCE, NASA Deep Space 1 และยานสำรวจ Dawn, ญี่ปุ่น สถานีดาวเคราะห์"Hayabusa" และอุปกรณ์อื่นๆ อีกจำนวนหนึ่ง

พวกเขาทั้งหมดมีข้อดีและข้อเสียเหมือนกัน ในแง่หนึ่ง เครื่องยนต์ไอออนมีความประหยัดมาก โดยต้องใช้เชื้อเพลิงเพียงเล็กน้อย ในทางกลับกัน ประสิทธิภาพและแรงขับที่ผลิตได้น้อยมาก ดังนั้นการเร่งความเร็วและการชะลอตัวของยานจึงช้ามาก ซึ่งทำให้ไม่สะดวกอย่างยิ่งในการส่งคนไปยังดาวอังคารและดาวเคราะห์ดวงอื่น

ด้วยเหตุผลเดียวกัน ดังที่ Barrett ชี้ให้เห็น วิศวกรไม่เคยถือว่าการขับเคลื่อนด้วยไอออนเป็นสิ่งทดแทนที่เป็นไปได้สำหรับเครื่องยนต์ turbofan หรือ turboprop ที่ใช้ในปัจจุบันในการบินพลเรือนและการทหาร

วิศวกรและนักฟิสิกส์ที่ MIT พบว่าความคิดเหล่านี้ผิด โดยได้ค้นพบเทคนิคสำหรับไอออไนซ์ในอากาศ ซึ่งจะเพิ่มประสิทธิภาพของเครื่องยนต์ดังกล่าวอีกหลายลำดับความสำคัญในอนาคตอันใกล้นี้

ลมไอออนิก

ตามที่นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบ ปีกที่มีรูปร่างพิเศษซึ่งปกคลุมด้วยตะแกรงบางๆ ของอิเล็กโทรดสามารถทำให้เกิด "ปฏิกิริยาลูกโซ่" ในอากาศ บังคับให้อิเล็กตรอนอิสระที่อยู่ในนั้นชนกับโมเลกุลที่เป็นกลางและทำให้อนุภาคอื่นๆ หลุดออกจากพวกมัน พื้นที่รอบตัวพวกมันมี "ซุป" ของไอออนจำนวนมากและอนุภาคที่ไม่มีประจุ

ถ้า "ซุป" นี้อยู่ข้างใน สนามไฟฟ้าจากนั้นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าจะเริ่มเคลื่อนตัวเข้าไปในขั้วตรงข้าม ชนกับโมเลกุลที่เป็นกลางและบังคับให้พวกมันเคลื่อนที่ไปในทิศทางตรงกันข้าม จะเกิด "ลมไอออนิก" ชนิดหนึ่ง ซึ่งมีแรงดึงมากพอ

เมื่อใช้เทคนิคที่คล้ายกัน Barrett และเพื่อนร่วมงานของเขาสามารถเพิ่มบันทึกประสิทธิภาพไอออน thruster เป็นสามเท่าจาก 1% เป็น 2.4% และสร้างเครื่องบินขนาดเล็กที่มีน้ำหนัก 2.5 กิโลกรัมและมีปีกกว้าง 5 เมตร

เครื่องนี้แสดงโดยการทดลองของนักวิทยาศาสตร์สามารถบินได้ 55 เมตรในห้องปฏิบัติการโดยใช้ไฟฟ้าประมาณ 900 วัตต์เป็นเวลา 12 วินาทีในการบิน ในอนาคต ตามที่นักฟิสิกส์ ตัวเลขเหล่านี้สามารถปรับปรุงได้หลายครั้งโดยการปรับรูปร่างของปีกให้เหมาะสมและปรับปรุงคุณสมบัติของไอออน "หาง"

ความสำเร็จดังกล่าวตามที่นักวิทยาศาสตร์ยอมรับอาจดูธรรมดาสำหรับสาธารณชน อย่างไรก็ตาม การบินของพี่น้องตระกูลไรต์ซึ่งเกิดขึ้นเมื่อร้อยกว่าปีก่อนเล็กน้อย ไม่นานนักและไม่ได้ก่อให้เกิดการมองโลกในแง่ดีมากนัก อย่างไรก็ตาม เพียง 20-30 ปีหลังจากการทดลอง เครื่องบินได้กลายเป็นส่วนสำคัญของกองทัพของมหาอำนาจชั้นนำของโลก และเป็นหนึ่งในเสาหลักของเศรษฐกิจโลก