Zaloguj się, aby obserwować tę zawartość
Obserwujący
0
Voyagery dokonują odkryć naukowych. W przestrzeni międzygwiezdnej złapały superszybkie elektrony
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Astronomia i fizyka
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
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 -
przez KopalniaWiedzy.pl
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 -
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcom z University of Sheffield udało się rozwiązać jedną z zagadek ewolucji galaktyk. Zauważyli oni, że supermasywne czarne dziury znajdujące się w centrach niektórych galaktyk przyspieszają olbrzymie strumienie wodoru molekularnego wydobywające się z galaktyki. Jako, że wodór jest potrzebny do formowania się gwiazd, zjawisko powyższe ma bezpośredni wpływ na ewolucję galaktyk.
Ucieczka wodoru z galaktyk jest jednym z elementów uwzględnianych w modelach teoretycznych, jednak dotychczas nie było wiadomo, w jaki sposób strumienie gazu są przyspieszane.
Brytyjscy uczeni, wykorzystując Very Large Telescope zauważyli, że w pobliskiej galaktyce IC5063 molekularny wodór jest przyspieszany przez dżety elektronów do około 1 miliona kilometrów na godzinę. Elektrony, poruszające się niemal z prędkością światła, są z kolei napędzane przez czarną dziurę. Przyspieszanie gazu ma miejsce w obszarze, gdzie jest go bardzo dużo.
Odkrycie pozwala nam lepiej zrozumieć, jaka przyszłość czeka Drogę Mleczną. Za około 4 miliardy lat zderzy się ona z Galaktyką Andromedy. Można zatem przypuszczać, że mocno skoncentrowany gaz, który pojawi się w centrum takiego systemu dwóch galaktyk, będzie napędzany przez czarną dziurę i zostanie wyrzucony z galaktyki.
Profesor Clive Tadhunter zauważa, że molekularny wodór stanowi większość z przyspieszanej materii. Tymczasem jest to niezwykle delikatny gaz, który ulega zniszczeniu już przy niskoenergetycznych oddziaływaniach. To niezwykłe, że ten gaz molekularny może przetrwać spotkanie z dżetami elektronów poruszającymi się z prędkością bliską prędkości światła.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Przed dwoma miesiącami informowaliśmy, że po ponad 80 latach fizykom udało się stworzyć – zbudowany wyłącznie z elektronów – kryształ Wignera. Teraz inna grupa naukowa nie tylko uzyskała kryształ Wignera, ale go też zobrazowała. Możemy więc naocznie przekonać się, jak wygląda ten niezwykły stan materii. A wszystko dzięki pracy zespołu Feng Wanga z University of California w Berkeley.
Najpierw, żeby uzyskać kryształ, naukowcy zbudowali urządzenie zawierające atomowej grubości warstwy podobnych półprzewodników: disiarczku wolframu i diselenku wolframu. Następnie za pomocą pola elektrycznego sterowano gęstością elektronów swobodnie poruszających się pomiędzy obiema warstwami. Urządzenie zostało schłodzone do temperatury kilku stopni powyżej zera absolutnego. Dzięki temu i odpowiedniej konstrukcji urządzenia, uzyskano kryształ Wignera.
Następnie naukowcy wykorzystali skaningowy mikroskop tunelowy (STM) do jego zobrazowania. W STM przez igłę próbkującą materiał przepuszczany jest prąd. Mikroskop nie rejestruje fizycznego wyglądu próbki, ale tworzy jej obraz poprzez pomiar obsadzonych i nieobsadzonych stanów elektronowych.
Pierwsze próby zobrazowania kryształu były nieudane, gdyż prąd niszczył delikatny kryształ. Naukowcy dodali więc warstwę grafenu. Obecność kryształu Wignera pod grafenem nieco zmieniała strukturę elektronową samego grafenu, co mógł badać STM. Jak się spodziewano, kolejne elektrony w krysztale Wignera znajdują się niemal 100-krotnie dalej niż atomy w kryształach wykorzystanych do budowy warstw urządzenia.
Carmen Rubio Verdu z Columbia University mówi, że technika z wykorzystaniem grafenu będzie bardzo pomocna również przy badaniu innych materiałów za pomocą STM. To technika nieinwazyjna dla badanego materiału. To bardzo sprytny pomysł, stwierdza Kin Fai Mak, fizyk z Cornell University.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Kolejne badania heliosfery przynoszą więcej pytań niż odpowiedzi i pokazują, że jest to znacznie bardziej złożony obszar niż mogło się wydawać. Przed rokiem, 5 listopada, Voyager 2 wyleciał poza heliosferę. Kilka lat wcześniej w heliosferze znalazł się Voyager 1. O ile jednak Voyager 1 leciał przez północną część heliosfery, Voyager 2 badał jej część południową. Teraz na łamach Nature Astronomy opublikowano pięć artykułów opisujących badania, jakie przeprowadzono po wleceniu Voyagera 2 w przestrzeń międzygwiezdną.
Badania przyniosły wiele niespodzianek. Okazało się, na przykład, że Voyager 2 wyleciał poza południową część heliosfery gdy znalazł się w odległości 119 jednostek astronomicznych od Słońca. W przypadku Voyagera 1 było to 121,6 j.a. To podobieństwo odległości heliosfery od naszej gwiazdy zaskoczyło naukowców. To bardzo dziwne, gdyż przelot Voyagera 2 odbył się w czasie słonecznego minimum, gdy aktywność Słońca jest najmniejsza, a Voyager 1 leciał w czasie maksimum. Spodziewaliśmy się, że będziemy mieli do czynienia z wyraźną różnicą, mówi Stamatios Krimigis z Uniwersytetu Johnsa Hopkinsa, autor jednego z artykułów. Heliosfera zmienia swoje rozmiary w zależności od aktywności Słońca, ponadto powinny występować też krótkoterminowe zmiany powodowane takimi wydarzeniami jak koronalne wyrzuty masy.
Intrygujące okazały się też pomiary pola magnetycznego przestrzeni międzygwiezdnej. Zanim w roku 2012 Voyager 1 wyleciał w przestrzeń międzygwiezdną, naukowcy spodziewali się zaobserwować znaczące różnice pomiędzy kierunkiem pola magnetycznego wewnątrz i na zewnątrz heliosfery. Jednak Voyager 1 zanotował, że kierunki pola magnetycznego przestrzeni międzygwiezdnej oraz pola magnetycznego wewnątrz heliosfery są w dużej mierze zgodne. Takie same dane przekazał Voyager 2, wiemy więc, że to prawdziwe zjawisko, a nie przypadkowa zbieżność. Musimy zrozumieć, dlaczego pole magnetyczne nie ulega zmianie, stwierdził Leonard Burlada z Goddard Space Flight Center. Uważa on, że musi istnieć jakiś proces, który powoduje tę zgodność, a którego nie rozumiemy.
Istnieją też interesujące różnice w pomiarach obu sond. Voyager 1 gdy zbliżał się do heliopauzy dwukrotnie wykrył cząstki pochodzące z przestrzeni międzygwiezdnej, a naukowcy uznali, że cząstki takie czasem przebijają się przez heliopauzę. Z kolei Voyager 2 przez jakiś czas po opuszczeniu heliosfery wykrywał cząstki pochodzące ze Słońca. Naukowcy sądzą, że ta różnica może mieć coś wspólnego z geometrią heliosfery, gdyż oba pojazdy opuściły ją w różnych miejscach, jednak nie wiedzą, skąd taka różnica.
Istnieją też inne różnice. Na przykład Voyager 1 notował, że prędkość wiatru słonecznego spadła niemal do zera przy heliopauzie. Tymczasem Voyager 2 rejestrował niemal stałą, wysoką prędkość wiatru przez całą podróż. Ponadto, mimo że oba pojazdy minęły heliopauzę w czasie krótszym niż 24 godziny, to Voyager 2 przekazał dane, które wskazują, że jest ona bardziej gładsza i cieńsza niż wynika to z danych zarejestrowanych przez Voyagera 1.
Powoli misja obu Voyagerów zbliża się do końca. Każdy z nich jest zasilany przez radioizotopowy generator termoelektryczny, w którym ciepło generowane przez rozpad plutonu-238 zostaje zamienione w energię elektryczną. Z każdą chwilę rozpada się coraz mniej i mniej radioaktywnego pierwiastka. Dlatego też specjaliści już od dłuższego czasu robią co mogą, by zaoszczędzić jak najwięcej energii. Wyłączają po prostu kolejne urządzenia zużywające prąd. Obecnie Voyager 2 korzysta z 5 z oryginalnych 10 urządzeń naukowych, a Voyager 1 ma do dyspozycji 4 urządzenia, gdyż jego spektrometr plazmowy zepsuł się już w 1980 roku. Powoli jednak kończą się możliwości dalszego oszczędzania energii, więc Voyagery przestaną pracować w ciągu mniej więcej 5 lat.
W tym jednak czasie naukowcy chcą jak najwięcej wycisnąć z Voyagerów, Maja nadzieję dowiedzieć się jak najwięcej o przestrzeni międzygwiezdnej. Interesuje ich na przykład, jak wygląda pola magnetyczne w większej odległości od heliosfery. Mają nadzieję, że uda się przeprowadzić pomiary przestrzeni międzygwiezdnej, które nie będą zakłócane przez sąsiedztwo heliosfery.
Jednak na wiele innych pytań nie poznamy odpowiedzi, jeśli nie wyślemy kolejnych misji. Wciąż nie wiadomo, jaki jest kształt heliosfery. Czy jest ona sferą czy też posiada ogon podobny do komety. Oba Voyagery wyleciały bowiem „z przodu” heliosfery, z kierunku zgodnego z ruchem Układu Słonecznego wokół centrum Drogi Mlecznej. Część specjalistów chciałaby wysłać kolejne pojazdy w przeciwnym kierunku. Jeśli jednak heliosfera nie ma kształtu sfery, a posiada za to „ogon” to podróż w przeciwnym kierunku może oznaczać konieczność przelecenia setek jednostek astronomicznych przed dotarciem do przestrzeni międzygwiezdnej.
Voyager 1 znajduje się obecnie w odległości 148, a Voyager 2 w odległości 122,4 j.a. od Ziemi. Oba pojazdy dzieli 160 j.a. Kolejnym najbardziej odległym od nasze planety pojazdem jest sonda New Horizons, która znajduje się odległości nieco ponad 46 j.a. od naszej planety. New Horizons nie będzie wlatywała w przestrzeń międzygwiezdną. Jej zadaniem są badania Plutona i Pasa Kuipera. Prawdopodobnie paliwo wyczerpie się jej w odległości 90 j.a. od Ziemi.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.