Znajdź zawartość

Wyniesienie ładunku w przestrzeń kosmiczną wymaga olbrzymich ilości paliwa. Loty pozaziemskie są przez to niezwykle kosztowne. Jednak nowy rodzaj silnika, zwanego silnikiem rakietowy z rotującą detonacją (RDRE – rotating detonation engine), może spowodować, że rakiety nie tylko będą zużywały mniej paliwa, ale będą też lżejsze i mniej skomplikowane. Problem jednak w tym, że w chwili obecnej silnik taki jest zbyt nieprzewidywalny, by zastosować go w praktyce. Naukowcy z University of Washington opublikowali na łamach Physical Review E opracowany przez siebie matematyczny model pracy takiego silnika. Dzięki temu inżynierowie mogą po raz pierwszy stworzyć testy pozwalające na udoskonalenie RDRE i spowodowanie, by były one bardziej stabilne. Badania nad silnikami rakietowymi z rotującą detonacją wciąż znajdują się na wczesnym etapie. Mamy olbrzymią ilość danych na temat tych silników, ale wciąż nie rozumiemy, jak to wszystko działa. Spróbowałem na nowo przepisać nasze dane, ale patrząc na nie pod kątem występujących wzorców, a nie z inżynieryjnego punktu widzenia i nagle okazało się, że to działa, mówi główny autor badań, doktorant James Koch. Konwencjonalny silnik rakietowy spala paliwo i wyrzuca je z tyłu, by uzyskać ciąg. RDRE spala paliwo w inny sposób. Składa się z koncentrycznych cylindrów. Paliwo wpływa pomiędzy cylindry i tam zostaje zapalone, co powoduje gwałtowne uwolnienie się ciepła w postaci fali uderzeniowej. To silny impuls pochodzący z gazów o znacznie wyższej temperaturze i ciśnieniu, który porusza się szybciej niż prędkość dźwięku, wyjaśnia Koch. Proces spalania to tak naprawdę eksplozja, ale po tym pierwszym gwałtownym impulsie można tam zaobserwować liczne stabilne impulsy, podczas których spalane jest paliwo. Generowane są w ten sposób wysokie ciśnienie i temperatura, które generują ciąg, dodaje. W konwencjonalnych silnikach mamy ponadto liczne podzespoły odpowiedzialne za kierowanie i kontrolowanie reakcji spalania tak, by można było ją wykorzystać do uzyskania ciągu. Jednak w RDRE te wszystkie podzespoły nie są potrzebne. Napędzana procesem spalania fala uderzeniowa w sposób naturalny przemieszcza się w komorze spalania. Minusem tego rozwiązania jest fakt, że nie można tego kontrolować. Gdy już wybuchnie, to reszta toczy się swoją drogą. To bardzo gwałtowny proces, dodaje Koch. Uczeni, chcąc stworzyć matematyczny model pracy takiego silnika, zbudowali taki niewielki silnik. Próbowali kontrolować różne jego parametry, takie jak np. rozmiary przestrzeni pomiędzy cylindrami. Wszystko nagrywali za pomocą szybkiej kamery. Mimo, że każdy z eksperymentów trwał jedynie 0,5 sekundy, to dzięki kamerze pracującej z prędkością 240 000 klatek na sekundę, byli w stanie szczegółowo obserwować cały proces. Na tej podstawie powstał opisujący go model matematyczny. To jedyny istniejący model opisujący zróżnicowane i złożone dynamiczne procesy zachodzące w silniku rakietowym z rotującą detonacją, mówi profesor matematyki J. Nathan Kutz. Model nie jest jeszcze gotowy do wykorzystania przez inżynierów. Moim zadaniem było jedynie odtworzenie zachowania impulsów, które widzieliśmy podczas eksperymentów. Upewnienie się, że wyniki obliczeń są takie same, jak wyniki eksperymentów. Zidentyfikowałem główne zjawiska fizyczne i określiłem ich interakcje. Teraz mogę dokonać opisu ilościowego. Gdy już będzie on gotowy, możemy zacząć dyskusje na temat ulepszania silnika, wyjaśnia Koch. « powrót do artykułu

Podczas otwierania butelki szampana powstaje naddźwiękowa fala uderzeniowa, informują naukowcy z Francji i Indii. Symulacje z zakresu dynamiki płynów pozwoliły zbadać tworzenie się, ewolucję i rozpraszanie fali uderzeniowej wydobywającej się z szyjki butelki. Badania nad otwieraniem szampana mogą dostarczyć cennych informacji nt. naddźwiękowego przepływu cieczy zarówno w rakietach kosmicznych, pociskach balistycznych czy turbinach wiatrowych. Znajdą one zastosowania przy produkcji elektroniki, jak i budowie pojazdów podwodnych. Chcieliśmy lepiej zrozumieć niespodziewane zjawisko naddźwiękowego przepływu, który ma miejsce podczas otwierania szampana. Mamy nadzieję, że nasze symulacje dostarczą pożytecznych wskazówek naukowcom, którzy mogą potraktować butelkę szampana jak mini laboratorium, mówi współautor badań, Robert Georges z Université de Rennes 1. W czasie początkowej fazy odkorkowywania, mieszanina gazów jest częściowo blokowana przez korek, co zapobiega osiągnięciu prędkości dźwięku przez buzujący pod korkiem płyn. W miarę, jak korek opuszcza szyjkę, mieszanina gazów uchodzi z butelki promieniście, równoważąc swoje ciśnienie za pomocą kolejnych fal uderzeniowych. Fale te tworzą wzór diamentów Macha, wzorców typowych dla silników odrzutowych. Symetryczny kształt butelki powoduje, że uchodzący z naddźwiękową prędkością gaz ma kształt korony. W końcu ciśnienie spada na tyle, że prędkość ulatniającego się gazu jest mniejsza niż prędkość dźwięku. Teraz naukowcy chcą zbadać inne parametry wpływające na cały proces, takie jak temperatura, objętość, średnica szyjki oraz procesy fizykochemiczne towarzyszące odkorkowywaniu butelki szampana. Chcieliby na przykład sprawdzić, jak tworzenie się kryształów lodu, spowodowane nagłym spadkiem temperatury rozprężających się gazów, wpływa na ich naddźwiękowy przepływ. « powrót do artykułu

Od wystrzelenia Voyagerów minęło ponad 40 lat, a sondy wciąż dokonują odkryć naukowych. Fizycy z University of Iowa poinformowali, że instrumenty na obu Voyagerach zarejestrowały elektrony przyspieszone przez fale uderzeniowe pochodzące z dużych rozbłysków na Słońcu. Elektrony przemieszczają się niemal z prędkością światła, około 670 razy szybciej niż fala uderzeniowa, która je przyspieszyła. Po nagłym przyspieszeniu elektronów zarejestrowano oscylacje fal plazmy wywołane elektronami o niskich energiach, które dotarły do czujników Voyagerów kilka dni po przyspieszonych elektronach. W końcu, miesiąc później, Voyagery zarejestrowały samą falę uderzeniową. Fale uderzeniowe pochodziły z koronalnych wyrzutów masy. Przemieszczają się one z prędkością około 1 600 000 km/h. Nawet tak szybko poruszająca się fala uderzeniowa potrzebuje znacznie ponad roku, by dotrzeć do Voyagerów. Zidentyfikowaliśmy elektrony, które zostały odbite i przyspieszone przez międzygwiezdne fale uderzeniowe rozprzestrzeniające się na zewnątrz od wysoce energetycznego wydarzenia na Słońcu. To nowy mechanizm, mówi współautor badań, emerytowany profesor Don Gurnett. Dzięki temu odkryciu fizycy lepiej będą mogli zrozumieć zależność fal uderzeniowych i promieniowania kosmicznego pochodzącego z rozbłysków słonecznych czy eksplodujących gwiazd. Jest to ważne np. z punktu planowania długotrwałych misji załogowych, podczas których astronauci będą narażeni na znacznie wyższe dawki promieniowania niż to, czego doświadczamy na Ziemi. Fizycy sądzą, że te nagle przyspieszone elektrony w medium międzygwiezdnym są odbijane od wzmocnionych linii pola magnetycznego na krawędzi fali uderzeniowej i przyspieszane przez ruch tej fali. Odbite elektrony poruszają się po spirali wzdłuż międzygwiezdnych linii pola magnetycznego, przyspieszając w miarę oddalania się od czoła fali uderzeniowej. Sam pogląd, że fale uderzeniowe przyspieszają cząstki nie jest niczym nowym. Zasadniczą sprawą jest tutaj mechanizm oddziaływania. My odkryliśmy go w zupełnie nowym środowisku – przestrzeni międzygwiezdnej – które jest całkowicie różne od wiatru słonecznego, gdzie takie procesy były już obserwowane, dodaje Gurnett. « powrót do artykułu

Zaciskając szczypce, krewetki z rodzaju Alpheus uwalniają pęcherzyki wytwarzające plazmę i falę uderzeniową ogłuszającą ofiary. Ostatnio naukowcy odtworzyli to zjawisko za pomocą szczypiec wydrukowanych w 3D w laboratorium. Mają nadzieję, że po ulepszeniu ten wzorowany na naturze wynalazek znajdzie zastosowanie np. w medycynie. Zaciśnięcie szczypiec powoduje wyrzucenie silnego strumienia wody. Szybko przemieszczająca się ciecz tworzy pęcherzyki kawitacyjne, które po jakimś czasie implodują. Zjawisko to generuje ekstremalne ciśnienia i temperatury. Powstaje plazma. Wykorzystując jako wzór skany mikrotomograficzne szczypiec krewetek, naukowcy wydrukowali w 3D wersję 5-krotnie większą od oryginału. Zamyka się ona mniej więcej z tą samą prędkością, co narząd skorupiaka. Xin Tang i David Staack, autorzy artykułu z Science Advances, posłużyli się szybką kamerą, która zarejestrowała tworzenie pęcherzyków. Uchwycono też powstawanie plazmy. Warto przypomnieć, że w 2017 r. na konferencji Amerykańskiego Towarzystwa Mikrobiologicznego zaprezentowano plany dot. wykorzystania zimnej plazmy przeciwko norowirusom. Hamada Aboubakre, mikrobiolog z Uniwersytetu Minnesoty w St. Paul, przeprowadził bowiem eksperymenty, w czasie których za pomocą zimnej plazmy sterylizowano sałatę rzymską. Jak wyjaśnia Staack, inżynier z Texas A&M University, dla krewetki plazma to jednak produkt uboczny. Nie sądzimy, że krewetka celowo próbuje uzyskać plazmę. Skorupiakowi chodzi o wytworzenie fali uderzeniowej, która ogłuszy ofiarę. A że w tych samych warunkach powstaje plazma...   « powrót do artykułu