Страшный прорыв: наука, лежащая в основе реальности

Автор: Школа инженерии и прикладных наук Университета Вирджинии, 2 августа 2023 г.

Профессор Патрик Хопкинс из Университета Вирджинии разрабатывает устройство замораживающего излучения для охлаждения электроники космических кораблей и высотных реактивных самолетов. Технология основана на плазме, которая удивительным образом охлаждает поверхности перед их нагревом. Получив грант в размере 750 000 долларов от ВВС США, команда изучает способы усиления и продления этого охлаждающего эффекта. (Концепция художника.)

Профессор Университета Вирджинии считает, что он нашел способ создать устройство с замораживающим лучом, вдохновленное злодеем Бэтмена, мистером Фризом. Это устройство не является оружием, оно предназначено для охлаждения электроники космических кораблей и высотных реактивных самолетов.

Знаете ли вы тот пистолет с замораживающим лучом, который злодей из «Бэтмена» мистер Фриз использует, чтобы «заморозить» своих врагов? Профессор Университета Вирджинии считает, что, возможно, он придумал, как сделать такое в реальной жизни.

The discovery – surprisingly based on heat-generating plasmaPlasma is one of the four fundamental states of matter, along with solid, liquid, and gas. It is an ionized gas consisting of positive ions and free electrons. It was first described by chemist Irving Langmuir in the 1920s." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"> плазма – однако не предназначена для вооружения. Профессор машиностроения и аэрокосмической техники Патрик Хопкинс хочет создать поверхностное охлаждение электроники внутри космических кораблей и высотных самолетов по требованию.

«Это основная проблема сейчас», — сказал Хопкинс. «Множество электроники на борту нагревается, но не имеет возможности охладиться».

Военно-воздушным силам США настолько понравилась перспектива создания замораживающего луча, что они предоставили лаборатории ExSiTE профессора (эксперименты и моделирование в области теплотехники) 750 000 долларов на три года для изучения того, как максимально эффективно использовать эту технологию.

После этого лаборатория станет партнером компании Laser Thermal, дочерней компании Хопкинса, занимающейся UVA, для изготовления прототипа устройства.

Профессор объяснил, что на Земле – или в воздухе ближе к ней – электроника в военной технике часто может охлаждаться природой. Военно-морской флот, например, использует океанскую воду как часть своих систем жидкостного охлаждения. А ближе к земле воздух достаточно плотный, чтобы охлаждать компоненты самолета.

Докторанты Сара Макарем Хосейни и Дэниел Хирт наблюдают за плазменной установкой. Хотя Хирт для эффекта носит вязаную шапку и пуховик, охлаждение носит локальный характер и не оказывает большого влияния на температуру в помещении. Кредит: Том Когилл

Однако «с ВВС и Космическими силами вы находитесь в космосе, который представляет собой вакуум, или в верхних слоях атмосферы, где очень мало воздуха, который может охлаждаться», — сказал он. «Итак, ваша электроника становится все жарче, жарче и жарче. И вы не можете взять на борт полезную нагрузку с охлаждающей жидкостью, потому что это увеличит вес и вы потеряете эффективность».

Хопкинс считает, что он на пути к легкому решению. Он и его коллеги недавно опубликовали обзорную статью об этой и других перспективах технологии в журнале ACS Nano.

Материя, с которой мы сталкиваемся каждый день, существует в трех состояниях: твердом, жидком и газообразном. Но есть четвертое состояние: плазма. Хотя нам на Земле это может показаться относительно редким явлением, плазма является наиболее распространенной формой материи во Вселенной. Фактически, из этого материала состоят звезды.

Plasmas can occur when gas is energized, Hopkins said. That powers their unique properties, which vary based on the type of gas and other conditions. But what unites all plasma is an initial chemical reaction that untethers electrons from their nuclear orbits and releases a flow of photons, ions and electrons, among other energetic speciesA species is a group of living organisms that share a set of common characteristics and are able to breed and produce fertile offspring. The concept of a species is important in biology as it is used to classify and organize the diversity of life. There are different ways to define a species, but the most widely accepted one is the biological species concept, which defines a species as a group of organisms that can interbreed and produce viable offspring in nature. This definition is widely used in evolutionary biology and ecology to identify and classify living organisms." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"species./p>

“We haven’t really explored the use of different gasses yet, as we’re still working with helium,” he said. “We have experimented so far with different metals, such as gold and copper, and semiconductorsSemiconductors are a type of material that has electrical conductivity between that of a conductor (such as copper) and an insulator (such as rubber). Semiconductors are used in a wide range of electronic devices, including transistors, diodes, solar cells, and integrated circuits. The electrical conductivity of a semiconductor can be controlled by adding impurities to the material through a process called doping. Silicon is the most widely used material for semiconductor devices, but other materials such as gallium arsenide and indium phosphide are also used in certain applications." data-gt-translate-attributes="[{"attribute":"data-cmtooltip", "format":"html"}]"semiconductors, and each material offers its own playground for investigating how plasma interacts with their different properties./p>