¿Cómo podría un vehículo parecido a un submarino conducirse y propulsarse en un superfluido?

Bombas peristálticas.

Los líquidos superfluidos no son más comprimibles que otros líquidos. Entonces puedes usar bombas peristálticas para moverlo. Por ejemplo, desde el frente hasta la parte posterior de usted. Al igual que una hélice o un jet.

Una sola bomba producirá empuje en paquetes discretos, pero tener una serie de ellos puede proporcionar una navegación tranquila. Apúntalos en cualquier dirección de la que necesites alejarte, como maniobrar jets en una nave espacial, y estarás en el negocio.

También puedes usar elementos de calefacción como los de la NASA , pero simplemente no ronronean igual.

Una hélice seguirá funcionando, solo que sin pérdidas por fricción.

Girar la hélice significa que la masa de fluido debe acelerarse hacia atrás, empujando la pala hacia adelante. Viscosidad cero no significa masa cero.

Las hélices son mejores en agua que en la melaza porque el agua tiene pérdidas por fricción (y consumo de energía) mucho menores. No funcionan tan bien en el aire debido a la densidad del aire mucho más baja, pero prop. los aviones demuestran que funcionan bien en un fluido con una viscosidad bastante baja, uno los acelera para compensar la baja masa de aire.

Las hélices generan empuje en los superfluidos, consulte los libros de Google - Superfluidity and Superconductivity

La naturaleza del flujo dentro del túnel de viento está indicada por la hélice que consta de dos finas aspas de mica... el pasaje continúa explicando cómo esto se aplica específicamente en el caso de los superfluidos. También señala que este efecto depende de la turbulencia (para que el flujo perturbado no vuelva a impactar en la parte posterior del negro para hacer una transferencia de momento neto de 0; de hecho, si es lo suficientemente lento, el empuje neto sería cero). , es decir, una vez que llegue a la región de flujo laminar)

También incluyen un gráfico de resultados experimentales que representa el empuje neto frente a la velocidad.

Una unidad de tornillo cerrada sería eficaz a velocidades muy bajas, incluso en un superfluido

Para una prueba menos técnica de que la hélice funcionaría, ¿qué tal una imagen de una bomba de helio? Observe el uso de un Impulsor para empujar el helio.

El vehículo podría transportar masa de reacción para ser expulsado y, por lo tanto, navegar por el Tercero de Newton.

Preámbulo

Realmente aprecié todas las respuestas sobre esto. Ha habido muchas discusiones excelentes. Responderé dibujando mis dos favoritos, bombas peristálticas y calentando helio a un estado gaseoso y agotándolo para generar empuje.

Intentaré producir algunas matemáticas para esto. Donde pueda, proporcionaré fórmulas de casos generales para cualquiera que quiera usar esta idea. Si los comentaristas pueden producir o corregir cualquiera de mis fórmulas, actualizaré en consecuencia. Con ese preámbulo terminado, comenzaré.

El diseño del motor básico

Las bombas peristálticas suministran fluido a una cámara con un núcleo central de fusión de helio y una serie de mallas metálicas.

El helio se dirige fuera de esta cámara a través de múltiples boquillas direccionales.

Para viajar a velocidades significativamente más altas, la malla se calienta directamente desde un núcleo de fusión de helio dentro de la cámara y una oleada de corriente eléctrica, lo que lleva el helio (violentamente) a su punto de vaporización.

Es importante destacar que podemos y posiblemente deberíamos usar un material que sea un superconductor a temperaturas criogénicas [1]

(Esa fuente es genial, échale un vistazo)

Los cálculos de eficiencia y empuje para ambos modos se proporcionarán en el cuerpo principal de esta respuesta.

(Si alguien quiere proporcionar un dibujo de ingeniería de este concepto, estaría muy agradecido)

Suposiciones para mi modelo simple

• asumiré$G$(constante de aceleración gravitatoria) es$10 \, \mathrm{m\ s^{-2}}$Asumiré que la temperatura del helio es$1 \,\mathrm{k}$.
• Estoy suponiendo una presión atmosférica estándar en la superficie (esta suposición requiere que el cuerpo de helio esté sellado ya que no puedo pensar en ningún elemento plausible que permanezca gaseoso para proporcionar presión en$0.5 \, k$, ¿tal vez estamos en una especie de arena submarina de helio creada artificialmente en un lujoso torneo alienígena?
• Tomaré la densidad del helio líquido como$125 \, \mathrm{Kg\ m^{-3}}$[0]
• Asumiré que el submarino opera a un máximo de 100 m de profundidad (debido a los materiales frágiles del casco a bajas temperaturas).
• Dado lo anterior, he asumido implícitamente que el casco puede soportar$1.25\times 10^5 \, \mathrm{Kg\ m^{-3}}$, utilizando la fórmula Presión$= R \times G \times H =$Densidad$\times$Constante gravitacional$\times$altura del líquido sobre el recipiente.

Es importante destacar que la ecuación general para la presión es$P = R \times G \times H$.

Eficiencia y empuje en modo bomba

No pude localizar un recurso que proporcionara la eficiencia de las bombas peristálticas para helio líquido. Sin embargo, estoy dispuesto a suponer que son muy eficientes y pierden calor insignificante con el helio. Esto está implícito sin que se proporcionen cifras aquí. [2]

Voy a ser perezoso y proporcionar un 90% de eficiencia. Dada la operación en un entorno prácticamente sin fricción, supondremos que las características de aceleración para un caso general son

• $p$es poder
• $m$es masa
• $V$es la velocidad
• $0.9$es el factor de eficiencia

Debido a que estas cifras pueden variar mucho dependiendo de cuánto quieras agitar los brazos y decir materiales del futuro del espacio, he dejado las cifras al lector. El punto principal es que la eficiencia es muy alta.

Sin embargo, aquí es donde nos encontramos con problemas, las bombas peristálticas son bastante lentas, una máquina industrial que obtuve cuenta con tasas de$40\, \mathrm{Lmin^{-1}}$, equivalente a$0.667 \times 10^{-3}\, \mathrm{m^3\ s^{-1}}$pesando en$40\, \mathrm{Kg}$. [3]

Suponiendo que el material pueda pasar a través de una abertura muy estrecha debido a que es un superfluido, podemos impartirle una velocidad bastante alta.

Tomemos el caso de una apertura de área$0.001\, \mathrm{m^2}$.

La ecuación de la velocidad es$V = \frac{Q}{A}$Dónde:

• $V$es la velocidad
• $Q$es el caudal volumétrico
• $A$es el área (por la que pasa el flujo)

Asi que$V = \frac{0.667 \times 10^{-3}}{0.001} = 0.667\, \mathrm{ms^{-1}}$

A esa velocidad de salida, la nave experimenta una fuerza de$0.667 \times 0.667 = 0.445\, \mathrm{N}$

Eso es bastante malo para un$40\, \mathrm{Kg}$motor. Incluso aprovechando que nuestro fluido es de viscosidad 0.

es decir que$1\, \mathrm{Kg}$de motor producirá$11.1 \times 10^{-3}$newtons de empuje :( Patético.

(Si mis cálculos o fuentes están mal aquí, por favor hágamelo saber)

Eficiencia y empuje en el modo propulsado por chorro de vaporización de helio

De lo anterior queda bastante claro que, a menos que encontremos grandes trozos de metal moviéndose muy lentamente, entonces será mejor que accionemos el gran interruptor rojo etiquetado como ACTIVAR COHETES .

Pero antes de hacer eso, averigüemos qué perderemos en eficiencia, cuál es nuestro consumo de energía y qué tipo de aceleración podemos esperar.

No me preocupé por los pesos del casco o del equipo antes, porque estaba bastante claro que el rendimiento iba a ser deslucido sin importar de qué manera lo miraras.

Asignémonos una tonelada (métrica) para trabajar y dividirla entre casco, bombas, calefacción, energía y sistemas de control. Solo para darnos algunas cifras con las que trabajar, su millaje puede variar y de ninguna manera me responsabilizo por cualquier persona cuyo submarino se derrumbe en las profundidades de un lago de helio.

me pegaré$200\, \mathrm{Kg}$en mi súper fuerte material mágico futuro duro en en$0.5\, \mathrm{k}$cáscara.

con mi restante$800\, \mathrm{kg}$, Voy a poner$300\, \mathrm{Kg}$en un súper duper todo el poder que puedes comer reactor de helio triple alfa de tecnología espacial (quiero decir que tenemos mucho helio, así que por qué no usarlo), especialmente porque esto produce carbono, así es, cualquier excusa para un escape de hollín. [4]

voy a tomar$240\, \mathrm{kg}$de la bomba, dándome una fácil de calcular$\frac{240}{60} = 4\, \mathrm{L}$o$0.5\, \mathrm{Kg}$de helio para trabajar por segundo.

Con eso hecho, agregaremos un$50\, \mathrm{kg}$IA para controlarlo porque no somos tan irresponsables como para poner materia orgánica en esta trampa mortal.

$160\, \mathrm{kg}$se asignará a los sistemas de control físico, vectorización de empuje, etc.

el final$50\, \mathrm{Kg}$será nuestro elemento disipador y calefactor de calor.

Si bien la mayor parte de eso fue frívolo, el factor importante es este, tenemos$0.5\, \mathrm{Kg}$de helio por segundo para convertir en gas y en energía. (Para ir más lento en este modo, reduciríamos la velocidad de las bombas, reduciendo nuestro combustible).

Las reacciones para este tipo de fusión son las siguientes (cita textual de Wikipedia):

He + He → Be (−91,8 keV)

Be + He → C (+7.367 MeV)

La liberación neta de energía del proceso es de 7,273 MeV (1,166 pJ).

Como efecto secundario del proceso, algunos núcleos de carbono se fusionan con helio adicional para producir un isótopo estable de oxígeno y energía:

C + He → O (+7.162 MeV)

Desafortunadamente, no me queda claro qué cantidad se convierte en oxígeno, aunque podría ser diferente para el caso de este inverosímil reactor de tecnología de agitar los brazos y esperar.

En términos de julios, haciendo una suposición ciega de$10\%$de moléculas de carbono que se convierten en moléculas de oxígeno, entonces:

31 He → 9C + O$\left( 7.237\times 10 + 7.162 = 79.532 \mathrm{MeV}\right)$

Convertir a Joules producidos por gramo$1.2742436502359998\times 10^{-11} \approx 1.27\times 10^{-11}$julios por 31 moléculas (calculadora en línea [5])

El peso molecular del helio es$4.0026$[0] en términos generales, un gramo de helio contiene la constante de Avogadros/4

asi que$\frac{1}{4}\left( 6.02214085\times 10^{23}\right) = 1.505535213×10^{23}$átomos de helio por gramo.

Multiplique eso por el rendimiento por átomo.$1.505535213\times 10^{23} \times \left(1.2742436502359998\times 10^{-11} \times \frac{1}{31}\right)$da$61884473701$Julios por gramo. Redondeemos a$6.19\times 10^{10}$julios

A continuación, debemos calcular cuánto calor se necesitará para vaporizar nuestro helio. Sospecho que si mis cálculos son correctos, probablemente podamos manejar un plasma sin sudar.

$2326\, \mathrm{J\ kg^{-1}}$se da aquí para vaporizar helio [0]

Dada esa cifra, 1 gramo de helio fundido puede vaporizarse$2.66\times 10^7 \mathrm{kg}$de helio

Con esos órdenes de magnitud, tenemos el respiro para elegir una temperatura para que nuestro gas de escape se ajuste a nuestro gusto. digamos que queremos agotar el helio a temperatura ambiente para facilitar los cálculos.

estamos calentando$0.5\, \mathrm{kg}$de helio (más o menos) que equivale a$\frac{500}{4} = 125\, \mathrm{mol}$

Usando una calculadora científica [6] encontramos que el helio de escape tiene un volumen de alrededor de 6200L para la presión de$125000\, \mathrm{kg\ m^{-2}}$a la profundidad operativa más baja.

Tal como lo entiendo (y es posible que deba corregirlo), el empuje se calcula por el impulso transferido al combustible. Entonces, para un volumen y una masa por segundo dados, el impulso transferido se ve afectado por la apertura de escape.

Para facilitar el cálculo asumiré un área de apertura de$0.5\, \mathrm{m^2}$

Como se discutió anteriormente, tenemos espacio para producir un calor de salida casi arbitrario.

Para ello elegí la temperatura de salida del gas como$1500 \,\mathrm{C}$. Esto rinde. Hacia$14743 \,\mathrm{L}$

Reemplazando este nuevo valor en la ecuación de empuje obtenemos:

$14743\, \mathrm{l\ s^{-1}}$debe viajar en$29.5\, \mathrm{m\ s^{-1}}$a través de una abertura de este tamaño$\left( 1000\, \mathrm{l} = 1\, \mathrm{m^3}\right)$. impartiendo$29.5\, \mathrm{m\ s^{-1}}$a$0.5\, \mathrm{kg}$por segundo produce un empuje de$14.75$newtons por un$1000\, \mathrm{kg}$artesanía. Entonces podemos esperar una aceleración de$0.0148\, \mathrm{m\ s^{-2}}$

Todavía bastante bajo. Se requieren algunas optimizaciones. Quién diría que los submarinos superfluidos propulsados ​​por chorro podrían ser tan tranquilos.

Dado que esta cifra es espantosa, propongo que, por muy buena que sea la idea de las bombas y chorros peristálticos, cualquier persona sensata calentará el fluido a una temperatura no superfluida, o tal vez, si es realmente inteligente, no se aventurará en un lago de líquido. helio en absoluto.

Finalmente

Realmente lamento haber llovido tanto en el desfile de bombas y chorros peristálticos, no me propuse las matemáticas, solo funcionó de esa manera. Fueron un gran punto de partida y clave para esta respuesta.

Lo siento, esta respuesta es actualmente un desastre al final, tomó mucho tiempo escribirla y, desafortunadamente, la ciencia espacial es donde mi comprensión de la física se agota.

Fuentes

[0] http://www.engineeringtoolbox.com/helio-d_1418.html

(sí, agregué este más tarde y no pude molestarme en volver a numerarlo, estuve 3 horas en maldita sea)

[1] http://www.symmetrymagazine.org/article/november-2008/explain-it-in-60-seconds-magnet-quench

[2] http://www.barber-nichols.com/products/pumps/cryogenic-pumps/liquid-helium-pumps

[3] http://www.hollandapt.com/Documents/Ctrl_Hyperlink/BT_Air_Powered__Fixed_and_Pump_Adapter_Systems_uid122220091201252.pdf

[4] https://en.wikipedia.org/wiki/Triple-alfa_proceso

[5] http://www.convertunits.com/from/MeV/to/J

[6] http://www.ajdesigner.com/idealgas/ideal_gas_law_volume_equation.php

No podría usar hélices ni ningún tipo de rueda en superfluido, pero aún puede usar chorros. El problema sería cómo aspirar el líquido y luego expulsarlo en la dirección deseada, pero mientras pueda implementar válvulas a prueba de fugas, no será un problema real.

PD Después de investigar un poco más sobre la superfluidez, descubrí que hay una manera de hacer que las hélices funcionen, incluso en superfluido. La superfluidez parece estar limitada por la velocidad del sonido en un líquido superfluido ( https://en.wikipedia.org/wiki/Superfluid_helium-4 ) Eso significa que un objeto que se mueve más rápido que la velocidad del sonido se encontrará en un líquido ordinario. de superfluido. Entonces, si su hélice gira más rápido que la velocidad del sonido (220-240 m/s para el He superfluido), debería estar bien.

PPS En la referencia compartida por Gary Walker, el experimento de la hélice estaba trabajando con velocidades mucho más bajas que las predichas teóricamente (generando empuje a velocidades tan bajas como 6 mm/s). Este hecho quedó reflejado en el artículo, sin embargo, la explicación científica a este fenómeno aún está pendiente, según tengo entendido.