Nanoteknologian ymmärtäminen käyttövoimajärjestelmissä

Nanoteknologia, aineen manipulointi atomi- ja molekyyliasteikolla (tyypillisesti alle 100 nanometriä), mahdollistaa sellaisten materiaalien luomisen, joilla on radikaalisti erilaisia ominaisuuksia verrattuna niiden irtotavarana oleviin vastaaviin. Propulsioteknologiassa tämä tarkoittaa komponentteja, jotka ovat samanaikaisesti vahvempia, kevyempiä, lämmönkestävämpiä ja kestävämpiä. Perusperiaate on korkea pinta-ala-tilavuussuhde ja kvanttivaikutukset, jotka syntyvät nanoasteikolla, jolloin insinöörit voivat räätälöidä mekaanisia, lämpö- ja kemiallisia käyttäytymistä ennennäkemättömällä tarkkuudella.

Nanomateriaalien ominaisuudet

Nanorakenteen parantamia keskeisiä ominaisuuksia ovat vetolujuus, lämmönjohtavuus ja korroosionkestävyys. Esimerkiksi hiilinanoputkilla (CNT) on vetolujuus jopa 100 kertaa enemmän terästä kuudennella painolla. Nanokiteinen metalli ja keramiikka osoittavat parempaa kovuutta ja väsymiskestoa. Lisäksi nanostrukturoitu lämpösuojaus voi kestää yli 1500 °C:n lämpötiloja, jotka ovat välttämättömiä turbiinin lavoille ja polttokammioille.

Hiilinanoputket ja moottorien komponenteissa olevat nanokomposiittit

Hiilinanoputket on yhä enemmän integroitu polymeeriin, metalliin tai keraamisiin matriiseihin nanokomposiittien muodostamiseksi. Näitä materiaaleja käytetään tuulettimien lavoissa, kompressorilevyissä ja suutinvuorissa. Vain 1...5% CNT:ien lisääminen painoon voi kaksinkertaistaa komposiittien jäykkyyden ja vähentää samalla kokonaistiheyttä. Piikarbidin nano-viskereitä käytetään myös vahvistamaan keraamisia matriisikomposiitteja (CMC), jotka jo korvaavat superseoksia nykyaikaisten suihkumoottoreiden korkealämpötilaisissa osissa.

Propulsiokomponenttien suorituskyvyn parantaminen

Turbiinin terät ja lämpösuojapäällysteet

Turbiinin terät toimivat ankarimmassa ympäristössä tahansa moottorin komponentti.Nanostrukturoitu lämpösuoja pinnoitteet (TBC) valmistettu yttria-stabiloitu zirkoni (YSZ) viljakoko alle 100 nm vähentää lämmönjohtavuutta jopa 30% verrattuna perinteisiin pinnoitteisiin. Tämä mahdollistaa moottorit ajaa kuumempi ja tehokkaampi, parantaa polttoaineen taloudeltaan ja työntövoima. Tutkijat [ NASA[] on kehittänyt nano-TBCs, joka kestää paremmin lämpökiertoa kuin perinteiset pinnoitteet, pidentää terän käyttöikää sadoilla tunneilla.

Polttokammion tehokkuus nanokatalysteilla

Nanokatalystit. Platina-, palladium- tai seriumoksidihiukkasia nanomittakaavassa voidaan levittää polttoaineeseen tai käyttää pinnoiteena polttovuorauspintoihin. Ne edistävät täydellisempää palamista alhaisissa lämpötiloissa, vähentävät noen muodostumista ja polttamattomia hiilivetyjä. Esimerkiksi seriumoksidin nanohiukkaset toimivat happipuskureina vapauttaen happea korkeissa lämpötiloissa hapettaakseen hiiliesiintymiä. Tätä teknologiaa testataan jo GE Aviation[.]

Kevyet rakennekomponentit

Moottorin kokonaispainon vähentäminen parantaa työntöpainon suhdetta ja vähentää polttoaineen polttamista. Nanokomposiittimateriaaleja, kuten monikerroksisilla hiilinanoputkilla vahvistettua epoksia, käytetään puhaltimien koteloissa ja ohituskanavissa. Nämä komponentit saavuttavat 20..30% painonsäästön alumiiniseoksissa säilyttäen samalla iskunkestävyyden. Lisäksi nanoalumiinihiukkasia käytetään polttoaineena kiinteissä rakettien polttoaineissa polttonopeuden ja energiatiheyden lisäämiseksi.

Käyttökohteet erityisissä käyttövoimatyypeissä

Ilma-alusten suihkumoottorit

Kaupallisissa turbofaneissa ja sotilasturbiinimoottorissa kompressorin ja turbiinin lapojen nanopinnoite vähentää kitkaa ja eroosiota, mikä lisää aerodynaamista tehokkuutta. Rolls-Royce on patentoinut nanorakenteisia pinnoiteita, jotka mahdollistavat tiukennuksen kärkien puhdistumaan, minimoiden vuotohäviöitä. Nanostrukturoidut tiivisteet ja laakerit auttavat myös vähentämään huoltovälejä ja lisäämään luotettavuutta. Näiden parannusten kumulatiivinen vaikutus voi olla 5...10% tietyn polttoaineen kulutuksen väheneminen moottorin elinkaaren aikana.

Rakettien käyttövoima

Rakettimoottorit vaativat materiaaleja, jotka kestävät äärimmäisiä lämpögradientteja, suuria paineita ja syövyttävää pakokaasua. Nanostrukturoidut tulenkestävät seokset (esim. volframi- tai molybdeenipohjaiset) säilyttävät lujuuden lämpötiloissa, joissa tavanomaiset metallit pehmenisivät tai hyypisivät. Regeneratiivisesti jäähdytetyt suuttimet hyötyvät nanokiteisistä kuparikanavista, jotka tarjoavat paremman lämmönjohtavuuden, jolloin ne voivat tehokkaammin siirtää lämmön suuttimen seinästä polttoaineeseen. Avaruusjärjestöt, kuten ESA[, tutkivat nanoinfiltroituja keraamisia vuorauksia kiinteille rakettimoottoreille vähentää suuttimen eroosiota korkeassa syövytyksessä.

Hypersonic Propulsion

Hypersonic ajoneuvot (Mach 5+) kohtaavat äärimmäisen aerodynaaminen lämmitys ja hapetus. Nanokomposiittit kuten hiili-hiili nano-silika lisäaineita voi selvitä takaisin lämpötilat yli 2000 °C. Scramjet polttimet vaativat polttoaineen ruiskutus yliääninopeuksilla; nano-rakennetut katalyytit auttavat saavuttamaan nopean sekoittumisen ja syttymisen. Puolustus kehittyneiden tutkimusprojektien virasto (DARPA) on rahoittanut hankkeita, joissa käytetään boorinitraatin nanoputkia täyteaineena ultra-korkean lämpötilan keramiikka varten yliäänireunoja ja sisääntuloramppeja.

Nykyiset innovaatiot ja tutkimus

NASA- ja DOD-aloitteet

NASA.s Game Changing Development ohjelma sisältää hankkeita nanostrukturoitu lämpösuojausjärjestelmät ja kevyet komposiitti säiliöt. Yhdysvaltain puolustusministeriö, kautta Office of Naval Research, tutkii nano-anturit upotettu propulsiokomponenttien seurata kulumista ja havaita halkeamia reaaliajassa. Nämä itse-diagnosointi järjestelmät voisivat mahdollistaa ennakoivan huolto ja parantaa turvallisuutta.

Teollisuuskehitys

Pratt & Whitney testaa nanovaiheisia nikkelipohjaisia superseoksia turbiinilevyille suunnattujen turbofan-moottoreidensa avulla. Nämä seokset ovat hienompia raerakenteita, jotka parantavat hiipiä ja väsymistä. Safran ja MTU Aero Engines ovat tehneet yhteistyötä nanorakenteisen oksididispersion (ODS) seoksissa korkeapaineisten turbiinien siipien osalta. Samalla startup-yritykset kehittävät skaalautuvia tuotantomenetelmiä CNT:ille ja grafietille, joiden tavoitteena on tuoda kilogrammakustannukset alle 50 dollarin rajan, joka on keskeinen kynnys laajalle levinneelle ilmailulle.

Haasteet ja näkökohdat

Valmistusten skaalattavuus

Nanomateriaalien tuottaminen teollisuuden tilavuuksissa, joiden laatu on yhdenmukainen, on edelleen este. CNT:n nykyiset eräprosessit tuottavat vaihtelevaa chiraliteettia ja pituusjakaumaa, jotka vaikuttavat komposiittiominaisuuksiin. Jatkuvaa synteesiä, kuten kelluvaa katalyytin kemiallista höyrypinnoitusta, puhdistetaan, jotta saavutetaan useiden tonnien vuotuinen tuotantonopeus, mutta mittakaavaetuja aiheuttavat kustannukset ovat edelleen korkeat.

Kustannusvaikutukset

Nanomateriaalilla varustetut komponentit voivat olla huomattavasti kalliimpia kuin perinteiset. Esimerkiksi nanokomposiittituuletinterä voi maksaa 10.15 kertaa enemmän alun perin valmistamisesta. Elinkaarikustannusanalyysit osoittavat kuitenkin, että säästöt pienemmästä polttoaineenkulutuksesta, pienemmästä kunnossapidosta ja pidemmästä käyttöiästä voivat kompensoida palkkion 10...20 vuoden aikana. Aerospace Primes investoi voimakkaasti vähentää näitä kustannuksia automaatiolla ja prosessien optimoinnilla.

Terveys- ja ympäristöriskit

Nanohiukkaset voivat aiheuttaa hengitystievaurioita, jos ne vapautuvat valmistuksen, koneistuksen tai käytöstä poiston aikana. Tutkimukset ovat osoittaneet, että tietyt hiilinanoputket voivat aiheuttaa keuhkotulehduksen eläinmalleissa, jotka ovat samanlaisia kuin asbestikuidut. Kiintoisuusturvaprotokollaton käsittely, suodatus ja henkilökohtaiset suojalaitteet.Niiden käsittely on pakollista. [National Institute for Occupational Safety and Health (NIOSH)[ on julkaissut suositellut altistusrajat CNT:ille ja muille nanomateriamateriaaleille. Ympäristön pysyvyys on myös huolenaihe; biohajoavien nanomateriaalien ja kierrätysmenetelmien tutkimus on käynnissä.

Tulevaisuuden näkymät

Seuraava vuosikymmen todennäköisesti yhdistää monitoiminen nanomateriaali . Kombinointi anturi, lämpöhallinta, ja rakenteellinen vahvistaminen yhdeksi komponentti. Meta-materiaalit suunniteltu nano-fotoniset ominaisuudet voisivat mahdollistaa aktiivisen lämmönsäädön. Advanced additive valmistus (3D tulostus) nano-asteikolla mahdollistaa tuotannon monimutkaisia sisäisiä jäähdytys geometers jotka ovat mahdotonta valaa tavanomaiseen. Laskeutumismallinnuksen parantaa, insinöörit voivat ennustaa nanomateriaali käyttäytymistä realistisissa moottoriolosuhteissa, nopeuttamalla sertifiointi.

Nanoteknologia ei ole itsenäinen ratkaisu vaan täydentävä työkalu, joka yhdessä propulsiotermodynamiikan ja materiaalitieteen kehityksen kanssa ajaa seuraavaa moottorisukupolvea. Tie laboratoriosta toimintamoottoriin edellyttää jatkuvia investointeja valmistusteknologiaan, turvallisuustutkimukseen ja teollisuuden standardeihin. Kuitenkin mahdolliset voitot .20.30% polttoaineen poltosta, komponenttien eliniän kaksinkertaistumisesta ja hyperäänilennon mahdollistamisesta tekevät nanoteknologiasta välttämättömän osan tulevia propulsiojärjestelmiä.