Используя специально сконструированные наноматериалы, в настоящее время, становится возможным работать с каждой молекулой воздуха, отбирая у нее кинетическую энергию, и передавая суммарный импульс движителю транспортного средства. В результате такого взаимодействия с окружающей средой, например, с воздухом, можно обеспечить разное давление воздуха на пластину материала, одна сторона которой имеет микрорельеф специальной формы.
Размеры микрорельефа, которые необходимы для реализации предлагаемой концепции, находятся в пределах 1 – 500 нанометров. Эти размеры зависят от характеристики среды, которая называется «длина свободного пробега» молекул. Данная характеристика меняется, при изменениях давления и температуры газовой среды.
Предлагаемая здесь концепция ранее рассматривалась в Московском Авиационном Институте А. Титаренко, как «частичное экранирование сил давления», действующих на предмет. В более точной формулировке, «экранирование силы давления среды» означает задачу «поглощения» части кинетической энергии молекул среды (воздуха), с какой-либо одной стороны тела, что создаст разность действующего на него давления, и однонаправленную движущую силу.
В несколько иной форме, идея была высказана Михаилом Порфирьевичем Бешок, Санкт-Петербург, опубликована в журнале «Новая Энергетика» [37]. На рис. 82 показана концепция, предложенная данным автором.
Рис. 82. Идея Михаила Порфирьевича Бешок по использованию энергии воздуха
Михаил Порфирьевич поясняет данный принцип следующим образом: «Если размер элементов рельефа d более длины свободного пробега, то каждая из молекул после удара о пластину сразу возвращается в собственную среду. Если размер элементов рельефа d менее длины свободного пробега, то часть из молекул ударится о пластину в области микрорельефа более чем один раз, прежде чем вернуться в собственную среду. Таким образом, возникает дополнительная сила с той стороны, где пластина имеет рельеф с элементами размером d, и баланс сил нарушается». В результате, возникает движущая сила, действующая на пластину.
Рассмотрим данную идею подробнее. Известно, что молекулы воздуха всегда двигаются, причем, хаотически, сталкиваясь и меняя направление. На длине свободного пробега, траектория каждой молекулы является прямолинейной, как показано на рис. 83.
Скорость движения молекулы воздуха, при обычном атмосферном давлении и комнатной температуре, примерно равна 500 м/сек. Длина свободного пробега определяется, как расстояние, которое молекула газа пролетает от места одного столкновения до другого. Например, молекулы 1 и 2 столкнулись, и поменяли свои траектории. Аналогично, пара молекул 3 и 4 уже столкнулись, и теперь двигаются некоторое время прямолинейно, по своим траекториям. Расстояние, которое пролетает молекула 1 от точки столкновения с молекулой 2 до точки столкновения с молекулой 3, называется «длиной свободного пробега».
При обычных размерах неровностей рельефа, которые намного больше длины свободного пробега, процесс движения и столкновений является хаотическим. Не имеет значения, полирована ли одна поверхность пластины, или она имеет крупные неровности, так как вектора импульсных ударов молекул воздуха по поверхности имеют статистическое распределение вероятностей направления импульса.
В такой ситуации «статистического равновесия», давление среды на обе поверхности пластины будет одинаковое, и суммарный импульс равен нулю.
В другом случае, если одна сторона пластины имеет поверхность с регулярными элементами рельефа, размер которых менее длины свободного пробега молекулы, то мы можем использовать предсказуемое прямолинейное движение молекул на коротких участках траектории.
Задача решается либо путем частичного отбора кинетической энергии частиц окружающей среды, либо путем частичного упорядочивания их хаотического теплового движения. Частичный отбор энергии у частиц, должен сопровождаться нагреванием наноэлементов, например, нановолосы будут нагреваться за счет их деформаций. Упорядочивание, то есть, ламинаризацию, можно организовать разными способами: создание за счет рельефа преимущественного вектора движения частиц вдоль поверхности пластины или перпендикулярно пластине. Соответственно, давление среды на пластину со стороны рельефа либо уменьшается, либо увеличивается.
Итак, рассмотрим варианты микрорельефа, при котором статистическое равновесие взаимодействия среды и сторон пластины нарушается. У нас есть несколько путей решения данной задачи. Первое направление исследований заключается в поиске решений, позволяющих осуществить частичный отбор кинетической энергии у молекул воздуха. Один вариант реализации данного решения – это такие нанотрубки, в которых молекулы воздуха теряют часть своей кинетической энергии при боковых неупругих соударениях со стенками трубок. В результате, молекула воздуха передаст нанотрубкам часть своего импульса, что уменьшает компоненту импульса молекул, которая направлена перпендикулярно поверхности пластины, рис. 84. Очевидно, частичный отбор энергии у молекул среды должен привести к нагреву вещества, из которого изготовлены наноэлементы.
Отметим, что в другом случае, при упругих столкновениях молекул воздуха и стенок нанотрубок может возникнуть противоположный эффект: в результате выравнивания траектории движения молекул воздуха (ламинаризации) вдоль оси трубки, увеличится компонента скорости молекул, которая перпендикулярна поверхности пластины. Этот эффект увеличит давление на пластину с той стороны, где сформированы нанотрубки.
Отбор кинетической энергии молекул, или частичное упорядочение их хаотического движения, так или иначе, приводят к формированию разности давления среды на пластину с двух сторон. Это создаст движущую силу, действующую на пластину со стороны среды.
При охлаждении среды, возможен эффект появления тумана, конденсации атмосферных паров воды. В связи с этим, имеется интересная смысловая аналогия: мы говорим «парит», «парящий в высоте» о чем-то летающем в воздухе на одном месте. Возможно, это древнее слово отражает смысл забытых нами технологий.
Один из вариантов отбора части кинетической энергии у молекул воздуха – столкновения с нановолосами, которые будут деформироваться, принимая на себя часть импульса молекул, рис. 85. Упругие деформации наноэлементов позволят преобразовать кинетическую энергию молекул в тепловую энергию, которая аккумулируется веществом пластины. Принцип простой, но сложность данного технического решения заключается в том, что на «упругой стороне» пластины, необходимо обеспечить взаимодействие не для теннисных шариков, а для молекул воздуха, масса которых очень мала, а скорость очень большая. Можно предположить, что наноструктуры в виде тонких нанотрубок или цилиндров (нановолосы), ориентированных вертикально, и расположенных на поверхности пластины с требуемым зазором, смогут упруго взаимодействовать с отдельными молекулами воздуха, то есть, поглощать кинетическую энергию при деформациях, и преобразовывать ее в тепловые колебания атомов вещества, из которого они изготовлены.
Более простым, на данной стадии проекта, мне представляется второе направление поиска, то есть ламинаризация потока. Мы можем делать хаотическое движение частиц среды более упорядоченным, «формируя ветер». Поскольку такой «ветер» в области около поверхности пластины может быть ориентирован параллельно или перпендикулярно пластине движителя, соответственно, получаем два варианта второго решения: снижения давления среды на поверхность пластины, или увеличение давления среды на пластину, в определенном месте.