https://madrid.hostmaster.org/articles/electroaerodynamic_propulsion/tr.html
Bu denemede sunulan içgörüler, yazarın 2016 ile 2018 yılları arasında gerçekleştirdiği onlarca deneyden kaynaklanmaktadır; bu deneyler, (AC ve DC) geniş bir güç kaynağı yelpazesi, elektrot geometrileri ve iyon emici tipleri kullanılarak elektroaerodinamik itmeyi araştırmıştır. Bu araştırmalar, aşağıda gösterilen 80 cm’lik rotorun inşasıyla zirveye ulaşmış; bu rotor, 6 kV’nin altında ve yalnızca yaklaşık 100 mW elektrik giriş gücüyle 18 devir/dakika dönme hızı elde etmiştir.
Bu deneysel kampanya, performansı havanın hareketinden veya iyon akımından çok daha fazla elektrostatik alanların dağılımına ve geometrisine bağlı olduğunu ortaya koymuştur. Gözlemler, aşağıda takip eden elektroaerodinamik itmenin teorik yeniden çerçevelenmesinin temelini atmıştır.
Elektroaerodinamik (EAD) itme - sıklıkla elektrohidrodinamik (EHD) itme veya “iyon rüzgârı” olarak adlandırılır - bilim kurgu gibi görünen nadir teknolojilerden biridir: hareketli parça yok, yanma yok, görünür egzoz yok; havada sessizce hareket eden bir cihaz. Kamuoyu ilk kez 2000’lerin başında ev yapımı “kaldırıcı” projeleriyle duymuş, 2018’de ise MIT’nin bir spor salonunda süzülen “iyon uçağı”nı gösterdiği zaman tekrar duymuştur.
Ancak altta yatan fizik daha uzun ve karmaşık bir tarihe sahiptir. Neredeyse bir yüzyıl önce, Thomas Townsend Brown ve Paul Biefeld, yüksek voltajlı kondansatörlerin küçük ama kalıcı bir itme üretebileceğini gözlemlemiştir. Brown bu etkiyi “antigravitasyon”a atfetmiştir. Modern bilim, Maxwell ve Coulomb yasalarıyla donanmış olarak, gerçeğin daha incelikli - ve birçok yönden daha derin - olduğunu kabul etmektedir.
EAD itmesi iyonlarla hava üflemekle ilgili değildir. Elektrik alanlarını yontmakla ilgilidir; böylece ortaya çıkan elektrostatik gerilimler net bir mekanik kuvvet üretir. Bu anlamda, EAD cihazları Maxwell ve Coulomb tarafından güçlendirilir: elektrik alanının kendisinin geometrisi ve dinamikleriyle.
Çoğu mühendise EHD itmesi hakkında sorun, basit bir hikâye duyarsınız: Keskin bir emici korona deşarjıyla iyonlar üretir; bu iyonlar bir kolektör elektroduna doğru hızlanır, yol boyunca nötr hava molekülleriyle çarpışır ve onlara momentum aktarır. Nötr gaz hareket eder - sözde “iyon rüzgârı” - ve Newton’un üçüncü yasasına göre cihaz eşit ve zıt bir itme deneyimler.
Bu resim yanlış değil, ama eksik.
Pratikte, iyonlar ihmal edilebilir kütle taşır. Nötrlerle çarpışmaları sık, evet, ama çarpışma başına aktarılan momentum küçüktür. Daha önemlisi, iğne ucuna veya kolektöre doğrudan önemli bir mekanik kuvvet etki etmez. “Rüzgâr” itmenin yan ürünüdür, kaynağı değil.
Gerçek motor, bu iyonları hızlandıran elektrik alanında yatar - uzay yükü oluşup aktıkça elektrostatik enerjinin yeniden dağılımında.
Maxwell denklemleri, elektrik alanlarının Maxwell gerilim tensörü aracılığıyla momentum depoladığını ve aktardığını tanımlar:
\[ \mathbf{T} = \varepsilon_0(\mathbf{E}\mathbf{E} - \tfrac{1}{2}E^2\mathbf{I}) \]
Bu tensörü herhangi bir cismin yüzeyine entegre etmek, ona etki eden net elektrostatik basıncı verir. Bu basınç - havanın hareketi değil - bir EHD iticisini ileri iter.
Korona deşarjı meydana geldiğinde, emici etrafında bir iyon bulutu oluşur. Bu iyonlar iki kritik şey yapar:
Emicinin elektrik alanını kısmen korur. Uç yakınındaki yerel alan gücü düşer, ama çevre hacimde güçlü kalır.
Genel alan geometrisini bozar. Emicinin bir tarafında alan çizgileri yakındaki yüklü yüzeylerde veya topraklanmış yapılarda sonlanır. Diğer tarafında dışa doğru uzanır, uzay yüküyle kısmen nötralize edilmiş.
Sonuç, emici-kolektör sistemindeki elektrostatik basınç dengesizliğidir - net bir kuvvet. Momentum, moleküler çarpışmalar değil, alandan elektrotlara akar.
En basit seviyede, ilgili kuvvetler Coulomb yasasıyla tanımlanır:
\[ \mathbf{F} = \frac{1}{4\pi\varepsilon_0} \frac{q_1 q_2}{r^2} \hat{r} \]
EHD yapısının her yüklü yüzey elemanı, ortamındaki her diğer yüklü bölgeyi çeker veya iter. Toplam itme, bu sayısız Coulomb etkileşimlerinin vektör toplamıdır; hareket eden iyonlar alanı modüle ederek sürekli yeniden şekillendirir.
Durağan bir korona durumunda, yüksek voltajlı emici ile görece negatif kolektör (veya çevre) arasında ince bir pozitif iyon kılıfı oturur. Bu iyonlar aracı olarak işlev görür: emici ve kolektör arasındaki çekimi kısmen korur ve hareket ederek alan asimetrisini sürekli sıfırlar. Sabit elektrik girişi bu dengesizliği korur, elektrostatik potansiyel enerjiyi mekanik kuvvete dönüştürür.
2000’lerin başında, NASA ve müteahhitleri, Gravitec ve Talley AIAA çalışmaları altında Biefeld-Brown tipi cihazları yeniden inceledi. Atmosferik ve vakum ortamlarında yüksek voltajlı asimetrik kondansatörler kullanılarak, deneyler etkinin hava yokluğunda devam edip etmediğini test etmeyi amaçlıyordu.
Sonuçlar kesin - ve istemeden aydınlatıcıydı.
Atmosferik modda, rotorlar ölçülebilir zor dönme (1–2 devir/dakika) ve 10–100 μN aralığında itme elde etti - cihazlar gerçekten gravitasyonel bir etkiyi kullanıyor olsaydı beklenecek değerlerin büyüklük sırası altında. Hareket tamamen geleneksel korona deşarjı ve zayıf iyon rüzgârına atfedilebilirdi.
Vakumda, \(10^{-6}\) Torr’a kadar basınçlarda hareket tamamen durdu. Geçici sinyaller, gaz çıkışı veya kalıntı yüzey yüküne izlendi. İyonizasyonu sürdürmek için hava molekülleri olmadan, elektrostatik alan simetrik hale geldi ve kuvvet kayboldu.
Araştırmacılar, itmenin hava yoğunluğuyla yaklaşık lineer ölçeklendiğini sonucuna vardı - EHD itmesini vakum imkânsızlığı olarak “çürütmek” için sıkça alıntılanan bir bulgu. Ama gerçekte gösterdiği şey daha derindi: Uzay yükünü taşımak için bir ortam olmadan, elektrik alanı elektrostatik basınç gradyanları üreten asimetrisini kaybeder.
Başka deyişle, bu erken testler elektroaerodinamik itmenin Maxwell gerilim yorumunu kazara doğrulamıştır. Yerçekimi veya basit iyon sürüklenmesi değil - önemli olan yük aracılı alan dengesizliğinin varlığıydı.
Basitlik ve simetri için inşa edilmiş Gravitec cihazları, önemli bir yük rezervuarı veya alan şekillendirici dielektrikten yoksundu. Açık geometrileri alan çizgilerini çevreye yaydı ve elektrostatik enerjinin çoğunu boşa harcadı.
Buna karşılık, burada tarif edilen EPS-alüminyum rotoru, iyi tanımlanmış iletken bir kabuk boyunca yükü yoğunlaştırdı ve uzay yükü bölgesinin yerel alanı yontmasına izin verdi. Sonuç: 6 kV’nin altında ve yaklaşık 100 mW’da kullanılabilir itme - enerji verimliliğinde neredeyse iki büyüklük sırası daha iyi performans.
Bu bulgular tutarlı bir temayı yankılar: Elektroaerodinamik verimlilik, voltaj veya hava akışından değil, yük topolojisi ve alan geometrisinin kontrolünden doğar.
Sert, yalıtkan bir çekirdek üzerindeki hafif folyo sadece bir iletken olarak davranmaz - elektrik alanının asimetrisini artıran geniş alanlı yük rezervuarı oluşturur. Mevcut tasarımda, genişletilmiş polistiren (EPS) sadece hafif yapısal destek olarak hizmet eder; tüm yüzeyi yüksek voltaj kaynağıyla elektriksel olarak sürekli alüminyum folyo ile sarılır. EPS ihmal edilebilir bir elektrik fonksiyonu ekler; değeri, minimum kütlede büyük iletken bir yüzey sağlamasında yatar.
Bu geniş iletken kabuk, güç kaynağından doğrudan yük depolar ve korona deşarjının her döngüde sıfırdan bir tane inşa etmek yerine önceden yüklenmiş elektrostatik alana karşı çalışmasını sağlar. Folyonun yüksek yüzey alanı etkili kapasitansı dramatik olarak artırır - yüzey dokusu ve kıvrıma bağlı olarak 10–100 pF cm⁻² mertebesinde - ve mütevazı bir uygulanan voltajı çok daha güçlü bir yerel elektrik alan gradyanına dönüştürür.
Korona yandığında, folyo stabilleştirici bir potansiyel referansı olarak davranır. Salınan iyonlar yerel alanı hafifçe modüle eder ama hakimiyet etmez; bunun yerine, depolanmış yüzey yükü çok düşük güçte sürekli itme üreten sabit bir asimetriyi korur.
Maxwell gerilim tensörü perspektifinden, kuvvet alan gücü ve gradyanının integraliyle orantılıdır:
\[ F \approx \varepsilon_0 \int (E \cdot \nabla E), dV \]
ve büyük, iyi yüklenmiş folyo, daha yüksek voltaj veya akım gerektirmeden her iki terimi de maksimize eder. Bu, düşük güçte, düşük voltajlı bir rotorun önemli bir dönme elde edebilmesinin nedenini açıklar: geleneksel “iyon rüzgârı” geometrilerinin ağır iyon akım kayıplarını depolanmış elektrostatik enerjiyle değiştirdi - elektrostatik verimliliğin pratik bir biçimi.
Bir EHD iticisinin verimliliği hava akış hızından değil, elektrik alanının ne kadar etkili şekillendirildiğinden belirlenir. Ana parametreler şunlardır:
Alanı sınırlayan ve şekillendiren tasarımlar - örneğin, emiciye yakın geniş, zıt yüklü bir yüzey yerleştirerek - watt başına itmede büyüklük sırası iyileştirmeler elde edebilir. Elektrik alanı işi yapar; iyonlar yalnızca alanın asimetrik ve dinamik kalmasını sağlar.
Brown’un asimetrik kondansatörlerden itme hakkındaki erken gözlemleri, plazma fiziğinin modern anlayışımızdan öncedir. Maxwell gerilimi veya uzay yükü dinamiklerinin çerçevesi olmadan, etkinin yerçekimini içerdiğini düşünmek doğaldı. EHD iticilerinin alan vektörüne “karşı” kuvvet üretmesi (ve bazen dikey yukarı) gizemi sadece derinleştirdi.
Bugünün merceğinden bakıldığında, Brown’un “antigravitasyonu” sadece görünür elektrostatik basınçtı. Matematiksel formdaki benzerlik - hem gravitasyonel hem elektrostatik potansiyel enerjiler \(1/r^2\) olarak azalır - kafa karışıklığını tarihsel olarak anlaşılır kılar, ama fizik tamamen elektromanyetiktir.
Son analizler ve akran tartışmaları, elektroaerodinamik itmenin alan gradyan fenomeni olarak yeniden çerçevelenmesini güçlendirir, iyon rüzgârı motoru olarak değil. Klasik kaldırıcı konfigürasyonlarında, on binlerce volt’ta miliamper mertebesinde korona akımları, watt başına mikro- ila mili-newton aralığında itme yoğunlukları üretir - elektrik alan enerjisinin ne kadarının yönlendirilmiş mekanik gerilim olarak bittiğinin yansıması. Buna karşılık, folyo sarılı EPS rotoru aynı fiziksel yasayı yük odaklı bir sürece dönüştürür: geniş iletken yüzey minimum akımla güçlü bir \(E\)-gradyanını sürdürür, sürüklenme kayıplarını depolanmış alan enerjisiyle değiştirir.
Bu ayrım, çağdaş araştırmadaki daha geniş bir kaymayı yansıtır. Dielektrik bariyer deşarjı aktuatörleri aerodinamik kontrolde, hacimsel hava akışından ziyade Maxwell geriliminden yüzey kuvvetini türetir ve elektrot geometrisi asimetriye ayarlandığında 10–100 N kW⁻¹ verimlilikleri elde eder. ONERA’da ve AB EHD programlarında incelenen yüzer elektrot ve kısıtlama geometrileri, iyon kılıfını şekillendirerek itmeyi iki ila beş kat artırır - tam olarak yük rezervuarı rotorunun tasarım mantığı. Ve seyrek hava ortamlarında, üst stratosfer veya Mars atmosferi gibi, iyon sürüklenmesi zayıflar ama elektrostatik gerilim kalır; yük zengin yüzeyler konvansiyonel tasarımlar başarısız olduktan uzun süre itmeyi sürdürebilir.
Fizik, klasik elektromanyetizmin Poynting momentum çerçevesiyle mükemmel uyum sağlar: itme, alan enerjisi yoğunluğunun gradyanına karşılık gelir,
\[ F \approx \varepsilon_0 \int (E \cdot \nabla E), dV \]
yani sistem momentumu doğrudan elektromanyetik alandan çeker. İyonlar dengesizliği koruyan katalizörlerdir, reaksiyon kütlesi değil. Bu, vakum deneylerinde alan simetrik hale geldiğinde itmenin neden kaybolduğunu açıklar - \(\nabla E\) terimi çöker. Tersine, folyo rezervuarı rotorunda kapasitif kabuk \(E\)’yi dik ve yönlü tutar, yalnızca 100 mW giriş gücüyle yaklaşık \(0.1\)–\(1\ \text{mN}\) tork eşdeğeri itme üretir - iyon sürükleme cihazlarının 10–100 katı verimlilik.
| Parametre | Geleneksel İyon Rüzgârı Tasarımı | Folyo Yük Rezervuarı Rotoru | İmkan |
|---|---|---|---|
| Voltaj | 20–50 kV | < 6 kV | Daha düşük kırılma riski, daha kolay ölçekleme |
| Güç | 1–10 W | ≈ 0.1 W | 10–100× daha yüksek itme / W |
| İtme Mekanizması | İyon-nötr çarpışmaları | Alan gradyanı (Maxwell gerilimi) | Hava yoğunluğuna büyük ölçüde bağımsız |
| Ana Etken | Emici-kolektör aralığı | Kapasitif folyo rezervuarı | Depolanmış yük > geçici akım |
| Verimlilik (N kW⁻¹) | 0.01–0.1 | 1–10 (çıkarılan) | Mikro-İHA’lar için uygulanabilir |
Bu tür karşılaştırmalar kavramsal bir dönüm noktasını vurgular: Akım odaklıdan yük odaklı itmeye, madde hareket ettirmekten alan şekillendirmeye. Sonraki sınır, elektrostatik mimari olarak adlandırılabilecek şeydir - hesaplama optimizasyonu ve gelişmiş malzemeler (karbon nanotüp emiciler, desenli folyolar, metamateryal dielektrikler) kullanılarak \(\int E \cdot \nabla E\)’yi maksimize etmek. Hibrit darbeli-DC modları, geçici yük depolamasını daha fazla sömürürken kimyasal yan ürünleri azaltabilir.
Elektroaerodinamik itme egzotik bir merak veya sahte bilimsel anomali değildir. Maxwell ve Coulomb yasalarının doğrudan bir tezahürüdür - kontrollü alan asimetrisi yoluyla elektrostatik potansiyel enerjiyi harekete dönüştüren makroskopik bir makinedir.
Erken mucitler “antigravitasyon” gördüğü ve modern projeler “iyon rüzgârı” gördüğü yerde, gerçek hikâye daha basit ve daha derindir: Elektrik alanları gerilim taşır. O gerilimi şekillendir, ve hareketli parça, yakıt veya ses olmadan havada kendini çekebilirsin.
Bu, elektroaerodinamik itmenin sessiz dehasıdır - gerçekten, Maxwell ve Coulomb tarafından güçlendirilmiş.