کاربردهای غیرمنتظره شناور مغناطیسی

شناور مغناطیسی یا maglev شامل معلق کردن مواد با میدان مغناطیسی است. هنگامی که گرانش، شتاب و سایر نیروها روی یک جسم سنگین می شوند، همه آنها می توانند با فشار مغناطیسی خنثی شوند. برخی از کاربردهایی که ممکن است به نظر کاملاً بر خلاف طبیعت باشد، در واقع توسط علم بنیادی قابل توضیح است.

زمانی که نامه می تواند شناور شود

بسیاری از کاربردهای شناور مغناطیسی برای من تخیلی به نظر می رسد. از شناور قورباغه – آزمایشی که در سال 2000 جایزه ایگ نوبل را برای طراحش به ارمغان آورد (و او در واقع جایزه نوبل را برای کشف گرافن ، دوازده سال بعد دریافت کرد) – تا تختی که به آرامی در وسط اتاق خواب شناور است، باورش سخت است. این فناوری از دهه 1900 قابل اجرا بوده است، یعنی زمانی که Emile Bachelet اولین سیستم تعلیق الکترومغناطیسی را طراحی و ثبت اختراع کرد . تنها هدف این دستگاه انتقال نامه بر روی گاری بود که بالای یک مسیر مغناطیسی حرکت می کند. فقط تصور کنید وارد یک اداره پست فرانسه دهه 1900 می شوید که در آن نامه ها در اتاق مرتب سازی می چرخند…

تصویر شماره ثبت اختراع: 1020942، مخترع: Emile Bachelet،
Google Patents

از این قدرت نامرئی در بسیاری از کاربردها استفاده شده است. ممکن است در مورد استفاده های مهم maglev در پست های وبلاگ اخیر در مورد استفاده از COMSOL Multiphysics برای شبیه سازی بلبرینگ های مغناطیسی دائمی و ترمزهای جریان گردابی خوانده باشید . پدیده شناور مغناطیسی با این مفهوم بسیار اساسی شروع می شود که آهنرباهایی با قطبیت مخالف جذب می کنند و آهنرباهایی با قطبیت های یکسان دفع می کنند و از آنجا سطح پیچیدگی کاربردهای بالقوه آن بی حد و حصر است.

آن را در هوا ذوب کنید

دکتر رولاند ارنست، محقق آزمایشگاه SIMAP-EPM در گرنوبل، فرانسه، توانست فناوری‌های شناور مغناطیسی موجود را بهبود بخشد که روش تولید مواد را تغییر داد. او می خواست فرآیند ایجاد تیتانیوم خالص را بهبود بخشد، که در تولید همه چیز از خودرو و کالاهای ورزشی گرفته تا اهداف جوشکاری اولتراسونیک و کندوپاش مفید است. او با یک بوته سرد شروع کرد، دستگاهی که برای ایجاد آلیاژهایی استفاده می‌شود که برای تشکیل شدن به محیطی خالص نیاز دارند. دستگاه در بیرون خنک می ماند در حالی که مواد درون آن چنان داغ می شوند که مذاب می شوند.

عکسی از بوته سرد،
با فلش هایی که جهت
جریان در سیم پیچ خارجی و
مقاطع را نشان می دهد.

طراحی بوته سرد دکتر ارنست از چندین بخش با طراحی پیچیده تشکیل شده است. جزء اصلی آن یک استوانه کوارتز است که به عنوان یک محفظه اتمسفر کنترل شده با یک سیم پیچ پیچیده شده در اطراف آن عمل می کند تا الکتریسیته را هدایت کند و میدان مغناطیسی با فرکانس متوسط ​​یا بالا ایجاد کند. سیم پیچ یک سلف مارپیچ 4 دور است که از یک لوله مسی کوچک ساخته شده است. در داخل عایق کوارتز چندین بخش رسانا با فاصله مساوی وجود دارد. بین این اجزاء جدایی بسیار ریز در حدود نیم میلی متر وجود دارد. هر بخش مانند یک ثانویه اتصال کوتاه عمل می کند که اولیه آن سلف است. بنابراین میدان مغناطیسی تولید شده توسط سلف به داخل بخش های سازنده بوته سرد منتقل می شود.

تیتانیوم خام در داخل سیلندر قرار می گیرد. هنگامی که یک جریان با فرکانس بالا یا متوسط ​​از سیم پیچ عبور می کند، جریانی را در هر بخش مس و بار تیتانیوم القا می کند. جریان شروع به ذوب مواد خام می کند. این فرآیند گرمایش مواد رسانا از طریق القای جریان الکتریکی، گرمایش القایی نامیده می شود. اگر تیتانیوم به سادگی در یک ظرف گرم شود، آلیاژ داغ در حال جوش ممکن است با دیواره ظرف تماس پیدا کند. این می تواند منجر به یک واکنش فیزیکی شیمیایی شود که آلیاژ را با ناخالصی ها خراب می کند. به دلیل ماهیت دستگاه، این نوع تعامل تقریباً اجتناب ناپذیر است. اما دکتر ارنست توانست راه حلی بیابد. میدان های مغناطیسی از سیم پیچ و بخش های مسی با هم کار می کنند تا در واقع حباب ذوب تیتانیوم مذاب داغ را به مرکز بوته بالا ببرند. دکتر ارنست کار شبیه‌سازی طراحی خود را با استفاده از COMSOL Multiphysics انجام داد و خاطرنشان کرد که «مدل‌ها به راحتی تنظیم می‌شوند و به خصوص با شرایط مرزی امپدانس COMSOL Multiphysics کارآمد هستند، حتی با شرایط فرکانس بالا با عمق کم پوست. نتایج به من نشان می‌دهد که میدان‌های الکترومغناطیسی در هر هندسه سه بعدی کاملی که نیاز دارم چگونه رفتار می‌کنند.» بوته سرد دکتر ارنست آلیاژ تیتانیوم را از دیواره‌های بوته بلند می‌کند و توسط شناور مغناطیسی دفع می‌شود و به معنای واقعی کلمه آن را در هوا ذوب می‌کند!

توزیع پتانسیل الکتریکی در یک بخش، مدل سازی شده در COMSOL Multiphysics.

حمل و نقل سریع شخصی و پرتاب مداری

در حالی که بسیاری از طرح‌ها در حال حاضر در مرحله آزمایش هستند، چندین قطار مگلو عملیاتی وجود دارد که می‌توانید آنها را در ژاپن، چین و کره جنوبی امتحان کنید. این قطارها می توانند بسیار سریع حرکت کنند زیرا به صورت مغناطیسی در بالای مسیر قرار می گیرند به طوری که اصطکاک بین چرخ و ریل از بین می رود. نگهداری از قطارهای مگلو مجموعه ای از چالش ها، از جمله نگرانی های ایمنی و منابع را به همراه دارد، اما این قطارها یک نوآوری هیجان انگیز در میان سیستم های راه آهن هستند.

سیستم حمل و نقل سریع شخصی ، SkyTran، طراحی شده توسط NASA Ames و UniModal Inc.، یک پروژه در حال انجام است که برای نصب در تل آویو چند سال آینده در نظر گرفته شده است. این غلاف‌های کوچک دو نفره با قدرت شناور مغناطیسی با سرعت‌های بسیار سریع حرکت می‌کنند. به جای چرخ ها، وسیله نقلیه با دافعه مغناطیسی که توسط حرکت خود روی سیم پیچ های کوتاه شده در مسیر ایجاد می شود، به جلو حرکت می کند.

تصویر از: www.skytran.us .

دانشمندانی که علاقه زیادی به سفرهای فضایی دارند، ایده هایی مانند سیستم پرتاب مداری استارترام را ارائه کرده اند; دستیابی به این نوع پروژه در مقیاس بزرگ ممکن است دشوار باشد، اما به طور بالقوه می تواند هزاران تن محموله را بسیار ارزان تر و کارآمدتر از سیستم های پرتاب فعلی مبتنی بر پیشرانه شیمیایی در حال استفاده از جو خارج کند. وسایل نقلیه استارترام با استفاده از ترکیبی از آهنرباهای ابررسانا و آهنربای الکتریکی ایجاد شده از طریق جریان القایی در هوا معلق می‌شوند. سیم‌پیچ‌های قفل فازی که نیرو بر روی آهن‌ربای الکترومغناطیس پرتاب‌کننده ایجاد می‌کنند، نیروی محرکه لازم را ایجاد می‌کنند. یک اشکال عمده قطارهای شناور مغناطیسی فعلی این است که آنها توسط نیروی کشش جوی محدود می شوند. سامانه‌های پرتاب مداری مگلو و سایر فناوری‌های پیشنهادی را می‌توان با لوله‌های هوابند طراحی کرد که وسایل نقلیه بدون نیروی کشش به سمت آن حرکت کنند. بدون مقاومت هوا، اجسام می توانند با سرعت باورنکردنی سریع حرکت کنند.

بیشتر خواندن

• مدل‌سازی سه بعدی الکترومغناطیسی یک بوته سرد برای پردازش القایی مواد
• بلبرینگ مغناطیسی
• شبیه سازی ترمزهای جریان گردابی