Zjawiska termoakustyczne w ciałach stałach nadzieją na nowy napęd kosmiczny?

Ciała stałem mogą być ośrodkiem, w którym będzie zachodziła interakcja pomiędzy ciepłem a falami dźwiękowymi, podobnie jak zachodzi interakcja w urządzeniach termoakustycznych. Dzięki temu mogłyby powstać urządzenia pozbawione wad dotychczasowych urządzeń termoakustycznych, które będą pracowały dłużej.

Wycieki od dawna ograniczają możliwości urządzeń termoakustycznych działających dzięki interakcji pomiędzy oscylującymi temperaturami a dźwiękiem. Podczas 175th Meeting of the Acoustical Society of America naukowcy z Purdue University i University of Notre Dame wykazali, że zjawiska termoakustyczne mogą teoretycznie zachodzić w ciałach stałych.

Chociaż technologia ta wciąż jest w powijakach, może być ona szczególnie przydatna tam, gdzie występują trudne warunki zewnętrzne, jak np. w przestrzeni kosmicznej. Mamy tam do czynienia z dużymi różnicami temperatur, a awaria systemu może narazić na niebezpieczeństwo całą misję, mówi profesor Fabio Semperlotti z Purdue University.

Zjawiska termoakustyczne w płynach – cieczach i gazach – są dobrze znane i badane od wieków. Dodanie energii cieplnej do znajdującego się w zamkniętym naczyniu prowadzi do spontanicznego pojawienia się fal dźwiękowych propagujących się w tym płynie. W ten sposób mamy do czynienia z maszyną termoakustyczną, wyjaśnia profesor Carlo Scalo z Purdue. Mimo, że systemy takie są dobrze poznane, poważnym problemem jest zbudowanie systemu, z którego nie będzie wyciekał płyn.
Właściwości ciał stałych są łatwiejsze do kontrolowania, przez co są one potencjalnie lepszym materiałem do tworzenia systemów termoakustycznych niż płyny. Musimy jednak najpierw ponownie sprawdzić, czy zjawisko to może zachodzić w ciałach stałych, stwierdził Haitian Hao z Purdue.

Dzięki zjawiskom termoakustyczym możemy przetworzyć odpadowe ciepło lub wibracje mechaniczne na użyteczną formę energii. Dotychczas sądzono, że zjawiska termoakustyczne nie zachodzą w ciałach stałych, gdyż te są bardziej stabilne i łatwiej rozpraszają energię mechaniczną, przez co trudniej powstają tam fale dźwiękowe w odpowiedzi na różnice temperatur. Obecnie jednak powstał teoretyczny model, zgodnie z którym w cienkich metalowych drucikach w odpowiedzi na gradient temperatur mogą pojawia się wibracje. Jako, że właściwości ciał stałych można dobierać tak, by osiągnąć wymaganą wydajność urządzenia termoakustycznego, przed naukowcami otworzyło się bardzo obiecujące pole badań. Z płynami nie możemy tego robić, dodaje Smperlotti.

W przestrzeni kosmicznej mamy do czynienia z ekstremalnymi różnicami temperatur. To bardzo obiecujące środowisko, w którym wywołane tymi różnicami wibracje można by zamieniać w energię elektryczną zasilającą pojazd kosmiczny. Takie urządzenie mogłoby wykorzystywać część zwróconą ku Słońcu jako stronę ciepła, a część zwróconą w przeciwnym kierunku, jako stronę zimną. Dzięki temu działoby wiecznie, gdyż nie potrzebowałoby żadnych części mechanicznych i żaden płyn by z niego nie wyciekał, stwierdza Semperlotti.

zjawisko termoakustyczne ciało stałe