یخ ابریونیک Superionic Ice

مدیران انجمن: parse, javad123javad

ارسال پست
نمایه کاربر
rohamavation

نام: roham hesami radرهام حسامی راد

محل اقامت: 100 مایلی شمال لندن جاده آیلستون، لستر، لسترشر. LE2

عضویت : سه‌شنبه ۱۳۹۹/۸/۲۰ - ۰۸:۳۴


پست: 2523

سپاس: 4628

جنسیت:

تماس:

یخ ابریونیک Superionic Ice

پست توسط rohamavation »

من یکجا خوندم در فاصله ۳۳ سال نوری از ما، سیاره‌ای به نام «Gliese ۴۳۶ b» وجود داره. این سیاره از عناصر مختلف آب تشکیل شده است که یخ سوزان را تشکیل می‌ده. به عبارت دیگر، یخ روی این سیاره به خاطر فشار جامد می‌مونه، درحالی که دمای سطح آن به شدت بالاست؛ یعنی ۳۰۰ درجه سانتیگراد! خوب گفتم اون یخ داغ معمولی نیست منظورم همین
استات سدیم یا یخ داغ که میتونیم از جوش شیرین و سرکه تهیه کنیم. اخه کریستالیزاسیون یک فرآیند گرمازا است، بنابراین یخ حاصل داغ است.ولی چطورشو بچه های شیمی بلدند
ولی خوب تو فیزیک ما اینطور داریم نمودار فاز آب نشان می ده که در فشار کافی بالا (100 کیلوبار) یخ بسیار داغ 300 درجه سانتی گراد می تونه وجود داشته باشه. تصویر
حالا .یخ داغ اَبَریونیک حالت جدیدی از ماده است که در دمایی مشابه دمای هسته زمین وجود داره. وچون که در سطح مولکولی مانند یک مایع رفتار می کنه، می تونه دمای بالاتر را در هسته های سیاره ای بدون ذوب شدن تحمل کنه آب سوپریونیک که یخ سوپریونیک یا یخ XVIII نیز نامیده می‌شه، فازی از آب است که در دما و فشار بسیار بالا وجود داره. در آب فوق یونی، مولکول‌های آب از هم جدا می‌شن و یون‌های اکسیژن به شبکه‌ای با فاصله مساوی متبلور می‌شن در حالی که یون‌های هیدروژن آزادانه در اطراف شبکه اکسیژن شناور میمونند یونهای هیدروژن آزادانه متحرک آب فوق یونی را تقریباً به اندازه فلزات معمولی رسانا می کند و آن را به یک رسانای فوق یونی تبدیل می کنه . آب فوق یونی با آب یونی و حلال ها فرق داره که یک حالت مایع فرضی است که با یک سوپ بی نظم از یون های هیدروژن و اکسیژن مشخص میشه میدونیم اینها یکسری حدس هست تصویر
حدود ${10}^{5}\mathrm{Pa}$، که در حدود فشار اتمسفر معمولی، مایع آب است.
حدود ${10}^{9}\mathrm{Pa}$، آب به یخ فشرده می شود. با افزایش فشار، پیکربندی یخ متفاوت است.
در حدود${10}^{12}\mathrm{Pa}$، یخ فلزی می شود. این دیگر دسته ای از مولکول های H2O نیست، بلکه یک سوپ از اتم های H و O است.
در حدود ${10}^{16}\mathrm{Pa}$، تقریباً، واکنش‌های هسته‌ای ممکن است شروع به محسوس شدن کنند (البته نه دقیقاً رایج).
در حدود ${10}^{31}\mathrm{Pa}$، فشارها به چیزی نزدیک می شوند که در یک ستاره نوترونی یافت می شود. صحبت از اتم های منفرد دیگر معنی ندارد.
در یک نقطه، احتمالا به یک سیاهچاله، یا چیزی فرو می ریزد.
گذشته از آن، حدس و گمان شایع خواهد بود.
دانشمندان یک قطره آب را بین دو الماس فشرده کردند و آن را با یکی از قدرتمندترین لیزرهای جهان تا دمایی به اندازه‌ی ستارگان داغ کردند که نتیجه یک فاز جدید و رازآلود از آب بود.تصویر
اما خوندم از امواج ضربه‌ای برای ایجاد این یخ عجیب تنها به مدت ۲۰ نانوثانیه پیش از حل شدن، استفاده شده. اما این آزمایش جدید در نشریه‌ی «نیچر فیزیکس» (Nature Physics) منتشر شده، نخستین باری است که دانشمندان یخ فوق پایداری ایجاد کرده‌اند که به‌اندازه‌ای طول می‌کشد که بتوان جزئیات آن را بررسی کرد.
مایع، بخار و یخ رایج‌ترین حالت‌های آب هستند اما مولکول‌های آب همچنین می‌توانند در ترتیب‌های دیگری که نشان‌دهنده‌ی فازهای دیگر است، ته‌نشین شوند. در حقیقت دانشمندان تاکنون ۲۰ فاز یخ آب را شناسایی کرده‌اند. روش‌های گوناگونی که اتم‌های هیدروژن و اکسیژن پیوند خورده‌اند و می‌توانند تحت دما و فشارهای مختلف روی هم قرار بگیرند.
برای نمونه «یخ ۶» (ice VI) و «یخ ۷» (ice VII) مولکول‌هایی دارند که به ترتیب خود را به صورت منشور یا مکعب-مستطیل می‌چینند یا «یخ ۱۱» (ice XI) اگر در میدان مغاطیسی قرار بگیرد، جهت مولکول‌ها را تغییر می‌دهد و «یخ ۱۹» (ice XIX) شکننده است و فقط اتم‌های هیدروژن آن یک الگوی منظم را تشکیل می‌دهند.
یخ فوق داغ و با فشار بالا، هجدهمین فاز یخی است که کشف شده و یکی از عجیب‌ترین فازهاست. به این دلیل که اتم‌های اکسیژن آن مانند یک جامد در جای خود قفل می‌شوند اما اتم‌های هیدروژن آن پس از رها کردن الکترون‌های خود به یون‌هایی (هسته‌های اتمی که از الکترون‌هایشان جدا شده‌اند و درنتیجه بار مثبت دارند) تبدیل می‌شوند که آزادانه در یخ جریان می‌یابند، مانند اینکه مایع باشند.
مکعبی را تصور کنید که اتم‌های اکسیژن در گوشه‌های آن توسط هیدروژن به هم متصل شده‌اند. هنگامی که حالت فوق یونی جدید ایجاد می‌شود، شبکه منبسط شده و به اتم‌های هیدروژن اجازه می‌دهد تا به اطراف حرکت کنند در حالی که اتم‌های اکسیژن در موقعیت خود ثابت می‌مانند. در واقع، حالت جدید آب مانند این است که اکسیژن جامد در اقیانوسی از اتم‌های هیدروژن شناور غوطه‌ور شده باشد.در یخ فوق یونی، اتم های هیدروژن به جای آن در داخل یک شبکه اکسیژن شناور می شوند. این منجر به یخ می شود که می تواند الکتریسیته را هدایت کند. چگالی یخ کمتر از یخ معمولی است و رنگ آن سیاه است.
این انقلابی در پیشرانه ها ایجاد میکنه آب می‌تواند مجموعه‌ای از ترکیبات شگفت‌انگیز را به خود بگیرد. این می تواند مایع، بخار یا انواع مختلف جامد باشد. دانشمندان اکنون توانسته‌اند شکلی از یخ به نام خلیج یخی ابریونیک بسازند که آب را در معرض دما و فشار شدید قرار می‌دهد، مانند مواردی که در غول‌های گازی مانند نپتون یا اورانوس یافت می‌شود. اگر یک قطره آب با یک موج شوک برخورد کند، یخ مافوق صوت می تواند برای یک لحظه قبل از اینکه وجود نداشته باشد ایجاد می شود. Darpa آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته دفاعی ایالات متحده (دارپا) داره روش کار میکنه یعنی تراستر یونی ما از ایس ابریونیک استفاده کنه وای که چه isp ایجاد میشه
ابتدا توصیه می‌کنم کتاب «مبانی نیروی محرکه الکتریکی از محققین ناسا دن گوبل و ایرا کاتز نگاهی بیندازید واقعا جذابه تصویر
دوم، معادله محاسبه توان مصرفی کلی خواهد بود:
$P = \frac{g_0 T I_{sp}}{2\eta_T}$
به عنوان مثال، برای یک رانشگر که 150 میلی نیوتن نیروی رانش با یک ضربه خاص 2000 ثانیه و بازده خوب 0.8 تولید کند، مصرف برق در حال حاضر 1.875 کیلو وات خواهد بود. این معادله در بخش 2.5 همون کتابنشون داده و به سادگی از رابطه بدست آمده است:
$\eta_T = \frac{P_{jet}}{P_{in}}$
توان جنبشی پرتو که توان جت نامیده می شود به صورت تعریف میشه
$P_{jet} = \frac{1}{2} \dot{m}_p v_e^2 = \frac{T^2}{2\dot{m}_p}$
بنابراین، همانطور که در کتاب بحث شد، بیشتر نیرو صرفاً برای شتاب محض پرتو استفاده می شه. رانشگرهای یونی در حال کار معمولاً 1 تا 7 کیلو وات انرژی مصرف می کنند، سرعت خروجی اگزوز در حدود 20 تا 50 کیلومتر بر ثانیه (Isp 2000-5000 s) دارند و دارای رانش 25-250 mN و راندمان پیشرانه 65-80٪ هستند اساس کارش خیلی ساده هستش رانشگرهای یونی از پرتوهای یون (اتم ها یا مولکول های باردار الکتریکی) برای ایجاد رانش مطابق با بقای تکانه استفاده می کنند. روش شتاب دادن به یون ها متفاوت است اما همه طرح ها از نسبت بار/جرم یون ها بهره میبرند. این نسبت به این معنی است که اختلاف پتانسیل نسبتاً کوچک می تواند سرعت اگزوز بالایی ایجاد کنه. این امر باعث کاهش جرم واکنش یا پیشرانه مورد نیاز می شود، اما مقدار توان ویژه مورد نیاز را در مقایسه با موشک های شیمیایی افزایش می دهد. بنابراین رانشگرهای یونی قادر به دستیابی به تکانه های خاص بالایی هستند. نقطه ضعف نیروی رانش کم شتاب کم است اما برای رانش در فضا در مدت زمان طولانی تری موثر هستند.به طور کلی تکانه برابر است با حاصل ضرب نیرو در مدت زمانی که نیرو وارد شده‌است${\displaystyle I_{sp}\ =\ {\frac {F.dt}{mg.dt}}\ =\ {\frac {m.v_{e}.dt}{mg.dt}}\ =\ {\frac {v_{e}}{g}}}$چرا نسبت رانش به وزن پیشرانه های یونی بسیار کم است؟چرا رانش اینقدر کم است؟
زیرا فشار/چگالی پلاسم بسیار کم است.تصویر
چرا فشار/چگالی آنقدر کم است؟برای اینکه به الکترون ها یک مسیر آزاد متوسط ​​به اندازه کافی طولانی بدهیم تا قبل از برخورد با اولین اتم خود، ده ها ولت الکترون انرژی تولید کنند.
به طوری که یون ها، پس از یونیزه شدن، به احتمال زیاد به هیچ اتم خنثی برخورد نخواهند کرد یا بدتر از آن با هیچ الکترون آزاد در طول مسیر شتاب خود دوباره ترکیب می شوند. به طوری که آنها یک مسیر نسبتاً بالستیک را از طریق پلاسما و شکاف شتاب اصلی و خارج از موتور حفظ می کنند.
طرح‌های فعلی موتورها باید در فشار کم کار کنند تا به همان اندازه کارآمد باشند. اگر بخواهید فشار را به میزان قابل توجهی افزایش دهید، باید به طور چشمگیری توان مصرفی برای تولید و نگهداری پلاسما را افزایش دهید.
این در واقع فقط بازدهی کمتری برای توان مصرفی برای تولید پلاسما دارد، و قدرتی که برای شتاب دادن به پلاسما استفاده می‌شود در مقایسه با آن بسیار ناچیز است.میزان ضربه مخصوص ( میزان نیروی تولیدی موتور به دبی جرمی خروجی ) در موتورهای الکتریکی بسیار بیشتر از موتورهای شیمیایی است به طور مثال در موتورهای یونی میزان ضربه مخصوص در حدود 1500 تا 5000 ثانیه است در حالی که در موتورهای شیمیایی این پارامتر در بهترین حالت 400 ثانیه است که این بالا بودن ضربه مخصوص نشان دهنده نیاز به پیشران کمتر برای تولید نیرو است.مشکل اصلی سیستم های پیشران الکتریکی میزان نیروی تولیدی بسیار کم این موتورها استhope I helped you understand the question. Roham Hesami, sixth semester of aerospace engineering
smile072 smile072 رهام حسامی ترم ششم مهندسی هوافضا
تصویر

ارسال پست