Zapomniana siła o ogromnym potencjale
Tradycyjnie elektrostatyczne siły boczne (działające prostopadle do kierunku pola elektrycznego) były uważane za zbyt słabe, by efektywnie konkurować z siłami magnetycznymi w napędach. Jednak w 2017 roku odkryto nową klasę materiałów: ferroelektryczne nematyki, w których molekuły mają spontaniczne uporządkowane dipole elektryczne. W połączeniu z niezwykle dużą przenikalnością elektryczną te płyny mogą generować znaczne naprężenia elektrostatyczne nawet przy relatywnie niskich napięciach.
Czytaj też: Koniec z paskudnym paliwem. Amoniakowy silnik przechodzi próbę ognia
W eksperymentach naukowcy umieścili taki płyn pomiędzy dwiema elektrodami oddalonymi o kilka milimetrów i przyłożyli napięcie. Ku ich zaskoczeniu płyn został “przepchnięty” w bok i w górę przeciwko grawitacji o ponad 80 mm, co odpowiada naprężeniu elektrostatycznemu rzędu ponad 1000 N/m² przy polu elektrycznym około 28 V/mm, czyli wartości nieosiągalnej w konwencjonalnych materiałach elektrostatycznych.
Kolejnym krokiem było wykorzystanie tej bocznej siły do napędu ruchomego elementu. Zamiast tradycyjnego wirnika z magnesami lub uzwojeniami, zespół zaprojektował prototyp silnika, w którym siła elektrostatyczna działa na element wykonany z żywicy. W ten sposób mechaniczny ruch obrotowy uzyskano bez metalu i bez magnesów. Oznacza to wyraźne uproszczenie konstrukcji oraz eliminację konieczności używania rzadkich pierwiastków ziem rzadkich, które są obecnie kluczowymi materiałami w silnikach elektrycznych i generują problemy z kosztem i dostępnością surowców.
Silnik na miarę XXI wieku?
Ta zasada działania, oparta na elektrostatycznym naprężeniu w ferroelektrycznych cieczach, to coś zupełnie innego niż klasyczne silniki elektromagnetyczne. Omawiana siła działa prostopadle do pola elektrycznego i może być wykorzystana do napędu urządzeń bez masywnych metalowych części. Nowa koncepcja silnika wyróżnia się między innymi ze względu na brak magnesów i metali ciężkich, uproszczoną konstrukcję, a także Uproszczona konstrukcja z materiałów polimerowych może prowadzić do bardzo lekkich, szybciej reagujących napędów.
Czytaj też: Takie silniki udowadniają, że spalinowe jednostki nadal można bardzo ulepszyć
Chociaż technologia jest jeszcze w stadium wczesnych badań i prototypów, jej potencjał wydaje się znaczący. Elektrostatyczne napędy oparte na ferroelektrycznych płynach mogłyby znaleźć zastosowanie w miękkiej robotyce, miniaturowych urządzeniach o wysokiej precyzji, systemach mikroaktuacji, a w przyszłości nawet w większych układach napędowych, jeśli uda się zwiększyć skalę działania.