Наномолекулярный твердотельный электродинамический движитель

Наномолекулярный твердотельный электродинамический движитель

Иллюстрации

Показать все

Реферат

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ

Данная заявка является родственной с предварительными заявками США № 61/239446, поданной 3 сентября 2009 г., 61/264778, поданной 27 ноября 2009 г., и 61/296198, поданной 19 января 2010 г., полное содержание которых представлено здесь по ссылке.

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к способам и устройству, которые вызывают движение текучих сред, например, газов, которые могут применяться в системах приведения в движения, при создании вакуума, для сжатия газа и в других вариантах использования.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Устройства для движения газов широко используются. Самые первые самолетные двигатели представляли собой пропеллеры с поршневым приводом. Они работали благодаря соединению поршневого двигателя с пропеллером. Их простота привела к широко распространенному их применению до тех пор, пока не были изобретены реактивные двигатели. Турбореактивные двигатели работают по принципу соединения турбины с топливной комбинированной системой. Вращение турбины сжимает топливно-воздушную смесь, которая при сгорании предоставляет тягу и крутящий момент для вращения турбины. Первые турбореактивные двигатели получали тягу из выхлопа, выходящего из двигателей. Современные разновидности турбореактивных двигателей включают в себя турбовинтовые и турбовентиляторные двигатели, которые используют крутящий момент, генерируемый при выхлопе, для привода пропеллера или вентилятора, в дополнение к сжатию топливно-воздушной смеси. Ракетные двигатели, вероятно, представляют собой одну из самых старых систем механического привода в движение, и не сильно изменились с начала их появления. Ракета содержит трубку или конус, в которой находится (или в которую подают) смесь топлива и окислителя. Расширяющийся газ, получаемый в результате сгорания этой смеси, создает тягу. Ракеты, хотя и предлагают наибольшее отношение топливо-тяга среди любых существующих систем приведения в движение, не могут легко изменять величину тяги, которую они создают. Даже добавление возможности включения или выключения ракеты существенно усложняет ее конструкцию.

Адгезия между двумя материалами может быть охарактеризована пятью типами: механическая, химическая, дисперсионная, электростатическая и диффузионная. Из этих пяти типов, до настоящего времени, только электростатическая и определенные типы механической адгезии представляли собой легко обратимые процессы. Вакуум может использоваться для присоединения поверхностей и подъема материалов. Однако, такие устройства, обычно, требуют отдельных механизмов для создания пониженного давления и приложения вакуума к поверхности.

Как правило, в традиционных системах приведения в движения, упомянутых выше, также может использоваться сжатый газ. Также возможно сжимать газ в соответствии с законом идеального газа, таким образом, как, например, в поршневом или диафрагменном насосе. В современных устройствах обычно требуются насосные устройства, отдельные от резервуара, находящегося под давлением.

Давно известна способность разности температур приводить в движение поток газа на поверхности. В 1873 г. сэр Вильям Крукс разработал радиометр для измерения излучаемой энергии тепла и света. В настоящее время радиометр Крукса часто продают, как сувенир в магазинах музеев. Он состоит из четырех лопастей, каждая из которых выполнена черной с одной стороны и светлой с другой. Они прикреплены к ротору, который может вращаться с очень малым трением. Механизм установлен внутри прозрачного стеклянного сосуда, из которого удалена большая часть, но не весь воздух. Когда свет падает на лопасти, лопасти вращаются так, что при этом черные поверхности, как кажется, подталкиваются светом.

Крукс первоначально объяснял, что излучение света вызывает давление на черных сторонах, что приводит к вращению лопастей. Его статью рецензировал Джеймс Клерк Максвелл, который принял это пояснение, поскольку, как ему казалось, оно соответствовало его теориям электромагнетизма. Однако, свет, падающий на черную сторону лопастей, поглощается, в то время как свет, падающий на серебряную сторону, отражается. Это должно было бы прикладывать в два раза большее давление излучения на светлую сторону, чем на черную, означая, что мельница вращается не в ту сторону, если принять, что исходное объяснение Крукса является правильным. Другие неправильные пояснения были предложены впоследствии, некоторые из которых продолжают существовать до настоящего времени.

Одно из предположений состоит в том, что газ внутри сосуда в большей степени нагревается из-за излучения, поглощаемого на черной стороне, чем на светлой стороне. Давление более теплого газа, как предполагалось, толкает темную сторону лопастей. Однако, после более тщательного анализа, Максвелл показал, что в результате такого эффекта не должна возникать результирующая сила, а только установившийся поток тепла через лопасти. Другое неправильное пояснение, которое широко распространено даже в настоящее время, состоит в том, что более быстрое движение горячих молекул на черной стороне лопастей предоставляет нажим.

Правильное пояснение действий радиометра Крукса может быть выведено из работы Осборна Рейнолдса, поданной в Королевское общество в начале 1879 г. Он описал поток газа через пористые пластины, вызванный разностью температур на противоположных сторонах пластин, которую он назвал "температурным просачиванием". Газ при однородном давлении протекает через пористую пластину от холодной стороны к горячей. Если пластины не могут двигаться, достигается равновесное состояние, когда отношение давлений с обеих сторон составляет квадратный корень отношения абсолютных температур. В докладе Рейнолдса также обсуждался радиометр Крукса. Рассмотрим кромки лопастей радиометра. Кромка более теплой стороны передает большую силу ударяющим под углом молекулам газа, чем холодная кромка. Этот эффект вызывает движение газа из-за температурного градиента на поверхности кромки. Лопасть движется от нагретого газа и в направлении более холодного газа, при этом газ проходит вокруг кромки лопастей в противоположном направлении. Максвелл также рецензировал работу Рейнолдса, что побудило его написать свой собственный доклад "О напряжениях в разреженном газе, возникающих из-за неоднородностей температуры". Статья Максвелла, которую Рейнолдс одновременно хвалил и критиковал, была опубликована в Philosophical Transactions of the Royal Society в конце 1879 г., появившись до публикации статьи Рейнолдса. См., Philip Gibbs in "The Physics and Relativity FAQ," 2006, в math.ucr.edu/home/baez/physics/General/LightMill/light-mill.html.

Несмотря на описания Рейнолдсом и Максвеллом потока газа, движение которого осуществляется под воздействием тепла на поверхности уже в конце 19-ого столетия, потенциал движения газов в результате взаимодействия с горячими и холодными поверхностями не был полностью реализован. Работа радиометра Крукса требует разреженного газа (то есть газа, давление которого намного ниже, чем атмосферное давление), и поток газа через пористые пластины не позволяет получить пригодную для употребления тягу, в частности, из-за толщины и из-за случайной компоновки пор в пористых пластинах.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Описано устройство, выполненное с возможностью приведения в движение газа. В некоторых вариантах осуществления устройство содержит множество слоев, скомпонованных в стопку, и средство нагрева и/или охлаждения прилегающих слоев для формирования чередующихся горячих и холодных слоев, и, по меньшей мере, одно сквозное отверстие в стопке. В некоторых вариантах осуществления каждый горячий слой является более горячим, чем непосредственно прилегающие холодные слои, и каждый холодный слой является более холодным, чем непосредственно прилегающие горячие слои. Поверхность каждого горячего слоя располагается во внутренней части сквозного отверстия, и поверхность каждого холодного слоя располагается во внутренней части сквозного отверстия.

В других вариантах осуществления устройство содержит, по меньшей мере, первый и второй слои, и средство нагрева и/или охлаждения прилегающих слоев для формирования чередующихся горячих и холодных слоев, и, по меньшей мере, одно отверстие через горячие и холодные слои. Предпочтительно каждый горячий слой имеет канавку, обращенную внутрь и в первом направлении. Угол между канавкой каждого горячего слоя и центральной осью сквозного отверстия обозначен θ2. Также предпочтительно каждый холодный слой имеет канавку, обращенную внутрь и во втором направлении, противоположном первому направлению. Угол между канавкой каждого холодного слоя и центральной осью сквозного отверстия обозначен θ1. В некоторых вариантах осуществления сумма θ1 и θ2 попадает в диапазон приблизительно от 85° до 95°.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фиг. 1 показывает пластину Пельтье.

Фиг. 2 показывает схемы потока газа вокруг пластины Пельтье фиг. 1.

Фиг. 3 показывает газ, заключенный в квадратном ящике с параллельными горячими стенками и параллельными холодными стенками.

Фиг. 4 показывает результирующие силы, действующие на стопку наномолекулярных твердотельных электродинамических движителей (NMSet) с пилообразной геометрией.

Фиг. 5 показывает скорости частиц газа вокруг стопки NMSet с пилообразной геометрией.

Фиг. 6 показывает эффект термотуннелирования, который усиливает эффект Пельтье.

Фиг. 7 показывает стопку NMSet с параболической геометрией.

Фиг. 8 показывает схемы потока газа вокруг стопки NMSet по фиг. 7 и импульсное пространство газа.

Фиг. 9 показывает стопку NMSet с треугольной геометрией.

Фиг. 10 показывает импульсное пространство газа вокруг стопки NMSet с треугольной геометрией.

Фиг. 11 показывает стопку NMSet с пилообразной геометрией.

Фиг. 12 показывает импульсное пространство газа вокруг стопки NMSet с пилообразной геометрией.

Фиг. 13 показывает разрез NMSet с внутренней компоновкой Пельтье.

Фиг. 14 показывает вид в перспективе NMSet с внутренней компоновкой Пельтье по фиг. 13.

Фиг. 15 показывает вид в перспективе NMSet с внешней компоновкой Пельтье.

Фиг. 16 показывает разрез NMSet с внешней компоновкой Пельтье по фиг. 15.

Фиг. 17 показывает вид в перспективе NMSet с внешней компоновкой, не являющейся компоновкой Пельтье.

Фиг. 18 показывает разрез ступенчатой компоновки NMSet.

Фиг. 19 показывает вид NMSet с прямой геометрией.

Фиг. 20 показывает примерный способ производства NMSet.

Фиг. 21 показывает другой примерный способ производства NMSet.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В предпочтительных вариантах воплощения устройство, описанное здесь, может называться наномолекулярным твердотельным электродинамическим движителем (NMSet). Принципы работы NMSet позволяют применять NMSet в областях приведения в движение, адгезии и охлаждения, в зависимости от способа, с помощью которого используется NMSet. В предпочтительных вариантах осуществления NMSet и соответствующие устройства предоставляют легкое, компактное, энергетически эффективное создание разности давления газа с регулируемой скоростью потока.

ПРИВЕДЕНИЕ В ДВИЖЕНИЕ

В некоторых вариантах осуществления NMSet может предложить одно или больше следующих улучшений в области приведения в движение:

1. Улучшенная устойчивость к внешним воздействиям: повреждение любой области в обычной системе приведения в движение, вероятно, может привести к отказу всей системы. NMSet предоставляет улучшенную избыточность и надежность.

2. Легкий вес: NMSet не требует какого-либо определенного топлива, в связи с этим исчезает топливная нагрузка.

3. Масштабируемость: обычные системы движителей нельзя легко масштабировать оптимальные турбореактивные двигатели для малых самолетов не являются масштабными уменьшениями оптимальных турбореактивных двигателей для больших самолетов.

4. Время отклика: тягу NMSet можно легко регулировать в соответствии с изменениями потребностей.

5. Независимость от энергии: обычные системы приведения в движение требуют для работы конкретный тип или класс топлива, в то время как NMSet требует только источник разности температур, которая может быть образована с помощью электричества.

6. Экологически чистое приведение в движение: поскольку не требуется, чтобы NMSet зависел от ископаемых топлив для работы, он не образует загрязняющего выхлопа (например, окиси углерода, оксида азота) во время обычной работы.

АДГЕЗИЯ

В некоторых вариантах осуществления устройство NMSet может использоваться как легкий механический адгезив. Процесс может быть реверсивным, поскольку единственный этап, требуемый для реверсирования адгезии, представляет собой отключение питания NMSet. Использование NMSet может предоставлять дополнительное преимущество по сравнению с электростатической адгезией в том, что NMSet не требует, чтобы материал, который требуется присоединить, был плоским или электропроводным. По сравнению с другими процессами механической адгезии использование NMSet может не требовать предварительной обработки поверхности, присоединение которой требуется осуществить.

СЖАТИЕ ГАЗА

Поскольку устройство NMSet может быть скомпоновано для привода в движение потока газа через поверхность, весь или часть резервуара под давлением может функционировать для предоставления сжатия газа. Таким образом, в некоторых вариантах осуществления отдельная накачка и содержание газа под давлением могут не требоваться. Кроме того, поскольку действие NMSet обычно происходит на коротком расстоянии, возможно в некоторых вариантах осуществления использовать NMSet как чрезвычайно компактный компрессор, путем установки друг на друга множества ступеней NMSet. Обычные системы приведения в движение, как правило, работают на масштабах длин сантиметров и иногда метров. Таким образом, последовательная установка обычных двигательных установок приводит к тому, что образуется сложное и дорогостояще предложение. В отличие от этого NMSet может работать на микрометрах. Кроме того, эксплуатационная гибкость NMSet означает, что NMSet может быть непосредственно выполнен с возможностью функционировать в качестве насоса высокого давления, стандартного атмосферного насоса или, при достаточном количестве ступеней, насоса высокого вакуума.

КОНСТРУКЦИЯ NMSET

В одном аспекте NMSet и соответствующих устройств, описанные здесь, могут быть представлены как функционирующие в результате снижения энтропии в газе, находящемся в контакте с NMSet. Необязательно, устройство может добавлять энергию, например, тепловую энергию газу. В другом аспекте геометрия NMSet может влиять на направление потока газа и удобство использования. NMSet и соответствующие устройства могут отличаться от предыдущих устройств выделения тепла и т.п. комбинированным применением масштабных параметров, материалов, имеющих предпочтительные свойства молекулярного отражения, геометрии и/или компоновки элементов, которые обеспечивают существенное повышение эффективности. Здесь описаны различные примерные варианты осуществления NMSet с обсуждением их и других параметров, которые в предпочтительных вариантах осуществления могут создать сильный поток газа в определенном направлении с минимальными термодинамическими потерями.

Снижение энтропии в газе с помощью NMSet может быть представлено преобразованием А в импульсном пространстве k газа. А можно выразить в матрице, после того как набор подходящих оснований будет выбран для импульсного пространства k. Если математическое ожидание преобразованного импульсного пространства Ak не является равным нулю, на NMSet воздействует результирующий момент в противоположном направлении математическому ожиданию, из-за сохранения момента.

Геометрия NMSet может быть оптимизирована для эффективного функционирования. Геометрия NMSet влияет на матрицу A преобразования. Структура, которая формирует матрицу А, по существу, равной единичной матрице I, не создает смещение результирующего момента (то есть не делает так, что преобразованное импульсное пространство Ak имеет ненулевое значение математического ожидания). Скорее, могут формироваться вихри газа. Геометрии, которые приводят к получению больших собственных значений A, проявляют тенденцию выражать более эффективную функцию, например, в которой больший импульс переносится частицами газа, двигающимися в определенном направлении.

В качестве примера, рассмотрим пластину 100 Пельтье, погруженную в газ, показанную на фиг. 1. Пластина 100 Пельтье содержит верхний слой 101 и нижний слой 102. Для простоты можно использовать Декартову систему координат, ось Y которой направлена от нижнего слоя 102 к верхнему слою 101. Разность температур может быть установлена с помощью устройства Пельтье (не показано) между слоями или любого подходящего средства, таким образом, чтобы верхний слой 101 был более холодным, чем газ, и нижний слой 102 был более горячим, чем газ. Хотя и не желая ограничиваться какой-либо конкретной теорией, эффект Пельтье, вероятно, не создает результирующий перенос тепла в газ, преобразование, вызванное пластиной 100 Пельтье в импульсном пространстве k газа, может быть выражено эрмитовой матрицей A. Когда частица газа (молекула или атом) сталкивается с нижним слоем 102, предполагая, что столкновение будет неадиабатическим, частицы газа отталкиваются с более высокой скоростью, чем перед столкновением. Когда частица газа сталкивается с верхним слоем 101, предполагая, что столкновение является неадиабатическим, частицы газа отталкиваются от верхнего слоя 101 с меньшей скоростью, чем перед столкновением. На пластину 100 Пельтье воздействует результирующая сила, направленная на нижний слой 102 от верхнего слоя 101, то есть результирующая сила в направлении y. Другими словами, нижний слой 102 нагревается и, таким образом, увеличивает давление газа ниже нижнего слоя 102, в то время как верхний слой 101 остывает и, таким образом, снижает давление газа, выше верхнего слоя 101. Разность давлений приводит в движение вверх пластину 100 Пельтье. Что касается преобразования импульсного пространства k газа, поскольку частицы газа, отталкивающиеся от верхнего слоя 101, остаются с меньшим импульсом, чем частицы газа, отталкивающиеся от нижнего слоя 102, преобразованное импульсное пространство Ak становится искаженным предпочтительно в направлении -y, то есть значение p математического ожидания преобразованного импульсного пространства Ak является ненулевым и направлено в направлении -y. Предполагая, что газ и пластина 100 Пельтье составляют замкнутую систему (то есть отсутствует взаимодействие с другими объектами), пластина 100 Пельтье получает импульс -p для сохранения общего импульса замкнутой системы.

В то время как геометрия пластины 100 Пельтье на фиг. 1 действительно формирует подъем, причина, по которой ее нельзя использовать практически, состоит в следующем:

1. Если пластина 100 Пельтье велика, поступательное перемещение пластины 100 Пельтье вдоль направления Y вынуждает газ постоянно протекать вокруг кромок пластины Пельтье.

2. Большая часть тепла передается от поверхностей пластины 100 Пельтье через конвекцию газа.

3. Газ рядом с поверхностями имеет изолирующий эффект. Передача импульса между пластиной 100 Пельтье и газом является неэффективной, за исключением непосредственной близости к кромкам пластины, как показано на фиг. 2.

4. Площадь поверхности пластины 100 Пельтье представляет собой площадь поверхности ее выпуклой оболочки.

Все эти проблемы связаны с проблемой одной активной зоны, очень небольшое количество газа имеет какой-либо прямой контакт с поверхностью. Таким образом, более сложная геометрия может быть предпочтительной. Примерные варианты осуществления с тремя разными геометриями описаны ниже.

ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ

Хотя возможны множество разных геометрий NMSet или соответствующих устройств, принцип работы NMSet остается тем же. Хотя и не желая ограничиваться какой-либо конкретной теорией, во время работы используется энергия для снижения энтропии на некоторых поверхностях устройства, и передача пониженной энтропии в газ, находящийся в контакте с поверхностью. Устройство может, необязательно, передавать энергию в газ путем повышения температуры газа. Функция NMSet может, поэтому, быть разделена на три области: средство, с помощью которого энтропия на поверхностях устройства понижается, средство, с помощью которого пониженную энтропию передают в газ, и необязательное средство, с помощью которого повышается температура газа.

РАЗНОСТЬ ТЕМПЕРАТУР

Обычно для работы NMSet или соответствующего устройства требуется разность температур между слоями материала. В предпочтительных, описанных здесь вариантах осуществления разность температур может быть установлена в твердотельном электродинамическом механизме, то есть в "Se" в NMSet. Однако, устройства и способы, описанные здесь, не ограничены электронными или исключительно твердотельными устройствами. Например, разность температур может быть установлена посредством передачи тепла от сгорания, используя жидкий хладагент, экзотермической химической реакции или другого химического источника. Разность температур может быть установлена посредством простого резистивного нагрева, посредством эффекта Пельтье, посредством эффекта Пельтье усиленного термотуннелированием или посредством любого другого соответствующего средства. Средство, с помощью которого разность температур устанавливается между двумя объектами, может быть феноменологически описано двумя характеристиками: снижение энтропии (теплоперенос между двумя объектами) и неадиабатичность(общий теплоперенос между окружающей средой и двумя объектами).

В одном варианте осуществления эффект Пельтье может использоваться для установления разности температур. Эффект Пельтье возникает, когда электрический ток применяют в контуре, состоящем из двух материалов с разными коэффициентами Пельтье, соединенными в двух контактах. В зависимости от направления электрического тока тепло протекает от одного контакта к другому, вызывая установление разности температур между контактами. Эффект Пельтье можно понимать следующим образом: теплоемкость носителей заряда в материале характеризуется коэффициентом П Пельтье, который представляет собой количество тепла, переносимого носителями единичного заряда в материале. Когда электрический ток I протекает через контакт материала A с коэффициентами ПА Пельтье и материала B с коэффициентом ПВ Пельтье, количество тепла, переносимого носителями заряда в контакт за единичное время составляет I·(ПА -ПВ).

Эффект Пельтье локально уменьшает энтропию и является адиабатическим. Если предположить, что джоулевым нагревом можно пренебречь, в эффекте Пельтье тепло переносится от одного контакта к другому, но тепло не добавляется в контуре из двух материалов. Такое уменьшение энтропии может предоставлять преимущество, состоящее в возможности укладки в стопку NMSet и соответствующих устройств. Следовательно, эффект Пельтье сам по себе чрезвычайно подходит для использования в некоторых вариантах осуществления.

В этом варианте осуществления источник питания возбуждает электрический ток между двумя поверхностями. Носители заряда, такие как электроны и/или дырки, переносят тепло по мере их протекания с электрическим током и, таким образом, формируют разность температур между двумя поверхностями. Энтропия уменьшается, когда устанавливается разность температур.

Фононный поток уменьшает разность температур, установленную эффектом Пельтье. Если разрешить свободное протекание фононов (то есть, бесконечная удельная теплопроводность или нулевая теплоемкость), то их поток нейтрализует разность температур, установленных посредством эффекта Пельтье. Эффективность эффекта Пельтье может быть повышена, путем уменьшения электрического сопротивления и теплопроводности.

Один способ уменьшения теплопроводности состоит в размещении узкого вакуумного зазора на пути электрического тока. Фононы не могут легко пройти через вакуумный зазор, но носители заряда могут делать это при напряжении, приложенном к вакуумному зазору. Это называется эффектом Пельтье, улучшенным термотуннелированием (или охлаждение термотуннелированием). Фиг. 6 показывает схему эффекта Пельтье, улучшенного термотуннелированием. Носители 601 заряда могут туннелировать через вакуумный зазор 602.

Эффект Пельтье, улучшенный термотуннелированием, обычно является существенным только при высоких температурах или напряжениях, если только не будет достигнуто улучшение в результате выбора структуры поверхности и материалов, которые могут ограничить поведение носителей заряда рядом с вакуумным зазором и повысить вероятность туннелирования. Например, подходящие покрытия поверхности и структуры могут функционировать как фильтр, который не разрешает состояния с низкой энергией носителей заряда, а только состояния с высокой энергией носителей заряда рядом с вакуумным зазором.

В другом варианте осуществления разность температур может быть создана и поддерживаться посредством термоэлектронной эмиссии, усиленной полем. Термоэлектронная эмиссия представляет собой индуцированный теплом поток носителей заряда через потенциальный энергетический барьер. Носители заряда могут представлять собой электроны или ионы (то есть термоионы). При простой аппроксимации потенциальный энергетический барьер действует как плотина в том, что он сдерживает носители с тепловой энергией, меньшей, чем его высота, и позволяет носителям с тепловой энергией, большей, чем его высота протекать через него. Когда протекающие носители проходят через потенциальный энергетический барьер, вместе с ними переносится тепло. Носители, оставшиеся позади барьера потенциальной энергии, повторно термализуются (перераспределяют энергию) до более низкой температуры. Термоэлектронная эмиссия обычно требует рабочей температуры нескольких сотен градусов Цельсия, таким образом, что не ничтожно малая часть носителей имеет тепловую энергию достаточно большую для преодоления потенциального энергетического барьера. Электрическое поле может способствовать термоэлектронной эмиссии путем уменьшения высоты барьера потенциальной энергии и уменьшения требуемой рабочей температуры.

Разность температур в NMSet или соответствующем устройстве также может быть установлена путем использования резистивного нагрева и/или соответствующих химических процессов. Для поддержания разности температур без повышения общей температуры устройства некоторое охлаждающееся средство также может быть предусмотрено, такое как теплоотвод, открытый в атмосферу. Независимо от того, какое средство охлаждения используется, разность температур является более выраженной, если более теплые поверхности устройства не охлаждаются так же эффективно, как более холодные поверхности, что может быть достигнуто, например, с помощью термоизоляции.

ФОРМИРОВАНИЕ СИЛЫ

В одном аспекте получение результирующей тяги можно рассматривать как перенос пониженной энтропии из установленной разности температур в газ. Не желая ограничиваться какой-либо теорией, рассмотрим работу отдельного устройства в газе, как адиабатический процесс. В этом примере разность температур между горячим и холодным слоями может быть установлена с помощью подходящего средства, такого как эффект Пельтье. Для простоты предположим, что отсутствует суммарный теплообмен между газом и устройством. Частицы газа ударяют в горячие и холодные слои с равными вероятностями, и их взаимодействие с этими слоями будет иметь влияние на локальное импульсное пространство газа рядом с поверхностями горячих и холодных слоев. Локальное импульсное пространство газа очень близкое к поверхности горячего и холодного слоев имеет ненулевое математическое ожидание, когда газ и поверхность имеют разные температуры. Предположим также, что частицы газа не проникают через поверхность, частицы газа отскакивают от поверхности с импульсами, отличающимися от их импульсов падения, что приводит к искажению импульсного пространства вдоль нормали поверхности, и величина искажения непосредственно связана с разностью температур между поверхностью и газом.

В компоновке со случайной геометрией (то есть нормали поверхности в разных местах поверхности направлены в случайных направлениях) взвешенная сумма значений математического ожидания локальных импульсных пространств газа приблизительно равна нулю, что приводит практически к отсутствию результирующей тяги. В NMSet с оптимизированной геометрией, однако, взвешенная сумма математических ожиданий локальных импульсных пространств газа может быть ненулевой, что приводит к результирующей тяге.

Тривиальный пример компоновки, которая имеет ненулевую суммарную тягу, показан на фиг. 1, как описано выше. Эта геометрия не является очень эффективной, поскольку макроскопические конвективные потоки газа и образований вихрей увеличивают энтропию, и ограничивает количество полезной работы. Примерные конвективные газовые потоки 120, 130 показаны на фиг. 2. Газ при окружающей температуре 110 протекает в направлении холодного слоя 101 и охлаждается. Охлажденный газ протекает от холодного слоя 101 и вокруг кромки пластины 100 Пельтье в направлении горячего слоя 102. Нагретый газ протекает от горячего слоя 102.

Для упрощения описания могло быть полезно подумать о системе на основе второго закона Ньютона и кинетической теории газов. Вокруг пластины 100 Пельтье на фиг. 1 и 2, если предположить, что температура газа находится между значениями температур слоев 101 и 102, частицы газа, которые сталкиваются со слоем 101, покидают слой 101 с большим импульсом, чем перед столкновением. Аналогично, частицы газа, которые сталкиваются со слоем 102, покидают слой 102 с меньшим импульсом, чем перед столкновением. Поскольку давление газа прямо связано с импульсом частиц газа, газ рядом со слоем 102 имеет большее давление, чем газ рядом со слоем 101. Это смещение давлений толкает всю пластину 100 в направлении y.

В другом варианте осуществления пластина 100 Пельтье может иметь, по меньшей мере, одно сквозное отверстие между слоем 101 и 102. Газ спонтанно протекает от слоя 101 к слою 102 через отверстие, что делает возможным большую скорость нагрева газа. Такой поток газа называется термопросачиванием. Предположим, что газы рядом со слоем 101 имеют температуру T_c и давление P_C, и газ рядом со слоем 102 имеет температуру T_h и давление P_h, термопросачивание приводит к тому, что газ протекает от слоя 101 к слою 102 через отверстие, если удовлетворяется следующее уравнение:

Для того, чтобы улучшить эффективность, полезно понять, где существует классический предел в потоках газа. Конвективные описания потока газа нарушаются приблизительно в масштабе длины, где исчезает число Кнудсена. В результате, в некоторых аспектах средняя длина свободного пробега газа становится полезным параметром при определении предпочтительных геометрий NMSet.

Например, рассмотрим газ при определенном давлении, имеющий среднюю длину свободного пробега 10нм. Если облако такого газа удерживается в двумерной квадратной рамке 20 на 20 нм, как показано на фиг. 3, частица газа, в пределах 10нм перемещения, будет приблизительно, с равной вероятностью столкнется с другой частицей газа, и с такой же вероятностью она столкнется со стенкой рамки. Если стенки рамки будут нагреты, тогда малые рамки быстрее достигнут термодинамического равновесия с газом, находящимся в них, чем более крупные рамки, поскольку частицы газа в малых рамках имеют больше шансов столкнуться и обменяться теплом со стенками. Обычно, когда большинство столкновений в газе происходит между частицами газа и поверхностью, тогда термодинамическое равновесие может быть достигнуто приблизительно в течение среднего времени свободного пробега (время, которое требуется, чтобы частица газа переместилась на среднюю длину свободного пробега).

По этой причине, в некоторых вариантах осуществления характерный масштаб отдельных элементов NMSet и соответствующих устройств может быть наномасштабом, то есть "NM" для NMSet. Однако следует понимать, что способы и устройства, описанные здесь, не ограничены вариантами осуществления в наномасштабе. Параметр средней длины свободного пробега зависит от плотности газа, поэтому в некоторых вариантах осуществления и вариантах использования могут использоваться элементы большего масштаба. Кроме того, как описано здесь, множество NMSet и соответствующих элементов устройства могут быть скомбинированы для предоставления действия над большой поверхностью. Например, NMSet или соответствующие устройства, предпочтительно, могут быть скомпонованы в виде массивов и массивов массивов для предоставления направленного движения газа через большие поверхности, например, как показано на фиг. 16 и 17. NMSet или соответствующие элементы устройства также могут быть скомпонованы в одну или больше ступеней для достижения большей разности давлений, например, как показано на фиг. 18A-18D. Фиг. 18A изображает вид в поперечном сечении массива многоступенчатых NMSet или соответствующих компоновок 1800 устройства. Каждая ступенчатая компоновка 1800 ступени состоит из ступеней 1810, 1820, 1830 в форме концентрических, содержащих полусферы массивов NMSet, или соответствующих устройств 1840, 1850, 1860, как изображено с увеличением на фиг. 8B-18D. Отдельные отверстия 1845, 1855, 1865 NMSet в каждой ступени увеличиваются в размере в соответствии с уменьшением окружающего давления, которое воздействует на каждую последующую ступень при работе.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ

Взаимодействие между поверхностями может повлиять на матрицу A преобразования импульсного пространства. Если расположенные рядом поверхности могут легко выполнять обмен фононами через частицы газа, то энтропия на этих поверхностях локально увеличивается с более высокой скоростью, чем у поверхностей, которые не могут легко выполнять обмен фононами через развитие вихрей. Обычно это уменьшит эффективность системы.

Один способ, с помощью которого может быть уменьшен обмен фононами, состоит в ограничении или устранении любых совместно используемых оснований между поверхностями. Например, рассмотрим частицы газа в рамке 300 на фиг. 3. Рамка 300 содержит две планарные горячие стенки 302, параллельные друг другу, и две планарные холодные стенки 301, параллельные друг другу и перпендикулярные стенкам 302. Если рамка 300 сравнима по размерам со средней длиной свободного пробега частиц газа в нем, и стенки 301 и 302 являются идеально зеркально отражающими, газовые частицы могут достичь теплового равновесия с холодными стенками 301 и горячими стенками 302 независимо. Это связано с тем, что только нормали поверхностей стенок совместно используются между двумя холодными стенками 301 или между двумя горячими стенками 302, но не между холодной стенкой 301 и горячей стенкой 302. Следовательно, не может происходить обмен импульсами между горячими стенками 302 и холодными стенками 301 через частицы газа. Это связано с тем, что взаимодействие между частицами газа и холодными стенками 301 влияет только на импульсы в направлении x, но не на импульсы в направлении y; и взаимодействие между частицами газа и горячими стенками 302 влияет только на импульсы в направлении y, но не импульсы в направлении x, учитывая тот факт, что импульсы в направлении x ортогональны импульсам в направлении y. После того, как тепловое равновесие будет достигнуто между частицами газа и стенками, частицы газа движутся быстрее в направлении x, чем в направлении y.

На практике, поверхности обычно не являются идеально зеркально отражающими. Однако свойства зеркально отражающей поверхности существуют очень строго в некоторых материалах таким образом, что существуют углы, для которых могут быть уменьшены конвекционные потоки в углах. Этот эффект обычно наблюдается, когда числа Кнудсена велики, что является предпочтительным условием для NMSet и соответствующих устройств, в частности, в наномасштабных вариантах осуществления. Число (Kn) Кнудсен