Способ преобразования силы, полученной за счет квантовых флуктуаций в вакууме, в механическое движение - а-пленка

Изобретение относится к нетрадиционным двигательным системам, в частности, космических транспортных средств (КТС) и основано на известном эффекте Казимира. Способ состоит в преобразовании квантовых вакуумных флуктуаций в механическое движение, для чего используют двухслойную незаряженную проводящую (нано)пленку. Первый слой пленки – цельный, а второй выполнен с цилиндрическими перфорационными углублениями, препятствующими образованию виртуальных фотонов. В результате ожидаемая разность давлений виртуальных фотонов с разных сторон пленки создает малую силу тяги для управления движением, преимущественно КТС. Технологии сквозного перфорирования пленки хорошо разработаны (например, они используются для создания мембран обратного осмоса). Техническим результатом является получение механического движения без затрат рабочего тела (топлива) и энергии. 4 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящий способ относится к способам получения механической энергии.

Уровень техники

Из предшествующего уровня техники известны способы получения механической энергии, а именно Эффект Казимира - эффект, заключающийся во взаимном притяжении проводящих незаряженных тел под действием квантовых флуктуаций в вакууме. Кроме того, известен солнечный парус, позволяющий преобразовывать давление света в механическое движение.

Наиболее близким аналогом можно назвать солнечный парус и патент RU 2610018 С2, опубликован 07.02.2017. Бюл. № 4.

Раскрытие изобретения

Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение заключается в увеличении количества способов получения механической энергии, а также в преобразовании вакуумных флуктуаций в механическое движение, без приложения дополнительной энергии.

Данная задача достигается за счет того, что:

1. Способ преобразования силы, полученной за счет квантовых флуктуаций в вакууме, в механическое движение, характеризующийся тем, что для преобразования силы полученной за счет квантовых флуктуаций в вакууме, в механическое движение, используется незаряженная проводящая пленка, не имеющая с одной стороны неровностей, препятствующих образованию виртуальных фотонов, а с другой имеющая неровности, препятствующие образованию виртуальных фотонов.

2. Способ преобразования силы, полученной за счет квантовых флуктуаций в вакууме, в механическое движение по п. 1, отличающийся тем, что проводящая незаряженная пленка, гладкая с одной стороны и имеет выступающие неровности с другой, причем неровности имеют размеры и расположены на расстояниях, препятствующих возникновению между ними виртуальных фотонов.

3. Способ преобразования силы, полученной за счет квантовых флуктуаций в вакууме, в механическое движение по п. 1, отличающийся тем, что проводящая незаряженная пленка гладкая с одной стороны и имеет углубления с другой, причем углубления имеют размеры, препятствующие возникновению в них виртуальных фотонов.

4. Способ преобразования силы, полученной за счет квантовых флуктуаций в вакууме, в механическое движение по п. 1, отличающийся тем, что проводящая незаряженная пленка, состоит из 2 слоев, первый слой цельный, второй перфорированный, причем отверстия имеют размеры, препятствующие возникновению в них виртуальных фотонов.

5. Способ преобразования силы, полученной за счет квантовых флуктуаций в вакууме, в механическое движение по п. 1, отличающийся тем, что проводящая незаряженная гофрированная пленка устроена таким образом, что складки выступают только с одной ее стороны, причем складки имеют размеры, препятствующие образованию в них виртуальных фотонов, а расстояние между складками превышает ширину складок.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является механическое движение, полученное только за счет вакуумных флуктуаций, без дополнительных затрат топлива, энергии и отделяющихся частиц при реактивном движении.

Осуществление изобретения

Данное изобретение основано на эффекте Казимира

Словарь основных нанотехнологических терминов РОСНАНО описывает эффект Казимира следующим образом:

сила, обусловленная наличием граничных условий вторичного квантования нулевых колебаний электромагнитного поля в вакууме. В частном случае двух незаряженных проводящих параллельных пластин является силой притяжения их друг к другу.

Описание

По макроскопическим меркам сила Казимира ничтожно мала. Однако, для объектов размером в несколько нанометров и обладающих, соответственно, крайне малой массой, сила Казимира становится весьма заметной и ее приходится учитывать при проектировании наноэлектромеханических устройств (НЭМС).

В рамках оригинальных расчетов, проведенных голландскими учеными Хендриком Казимиром и Дирком Полдером в 1948 г. ([1]), предполагалось наличие двух незаряженных идеально проводящих металлических пластин, находящихся на расстоянии а друг от друга. В этом случае силу F, отнесенную к единице площади А, можно рассчитать как:

Наличие постоянной Планка (h=1,05*10-34 Дж*с) в числителе этой дроби и обуславливает ее чрезвычайную малость.

Чтобы пояснить физический смысл этой силы, следует вспомнить, что, в соответствии с постулатами квантовой механики устойчивые значения энергии частицы определяются стационарным уравнением Шредингера:

В случае, если частица находится в произвольном потенциальном поле и способна совершать свободные колебания (осцилляции), а потенциал возвращающей силы описывается степенной функцией с четным показателем (т.е. параболой), решение уравнения дает следующие собственные значения энергии Е:

где ω - собственная частота колебаний осциллятора, a - квант, равный разности энергий уровней с числами квантов n и n-1. Это выражение называют решением уравнения Шредингера для гармонического осциллятора. Из этого решения видно, что даже если число квантов энергии в осциллаторе n=0, энергия гармонического осциллятора равна не нулю, a . Величину назвали нулевыми колебаниями гармонического осциллятора.

Если распространить данную логику на кванты электромагнитного излучения - фотоны (и использовать подход вторичного квантования, в котором используются операторы рождения и уничтожения фотонов), то в некотором приближении возникновение силы Казимира можно объяснить так: в отсутствие каких-либо объектов все пространство физического вакуума заполнено бесконечным числом гармоник нулевых колебаний электромагнитного поля (даже в отсутствие фотонов, как было показано выше, энергия вакуума не будет равна нулю) с, соответственно, бесконечным набором длин волн.

Наличие двух проводящих пластин ограничивает пространство таким образом, что на их поверхности поперечная компонента электрического поля и нормальная компонента магнитного поля становятся равными нулю. То есть, между пластинами возникает стоячая волна с длиной волны 2а/k, где k - номер гармоники (1, 2, 3 и т.д.). В то же время, снаружи пластин пространство физического вакуума осталось невозмущенным, и оно-то и оказывает давление на пластины, стремясь приблизить их друг к другу.

Первые эксперименты по обнаружению силы Казимира были поставлены уже в 1958 г. ([2]), однако, их точность была очень низкой. Более точно силу Казимира удалось измерить в Стиву Ламоро в 1997 г. ([3]).

Авторы

Лурье Сергей Леонидович, к.ф. - м.н. Ссылки

[1] Casimir Н. В. G., and Polder D. The Influence of Retardation on the London-van der Waals Forces//Physical Review - 1948. vol. 73 (4). - pp. 360-372.

[2] Sparnaay M.J. Measurement of attractive forces between flat plates // Physica - 1958. vol. 24 (6-10) - pp. 751-764.

[3] Lamoreaux S. K. Demonstration of the Casimir Force in the 0.6 to 6 μm Range // Phys. Rev. Lett. - 1997. vol. 78 (1) - pp. 5-8.

Источник: «Словарь основных нанотехнологических терминов РОСНАНО».

Энциклопедический словарь нанотехнологий. - Роснано. 2010.

Экспериментальное подтверждение эффекта Казимира.

Когда в 1948 году Казимир сделал свое предсказание, несовершенство существовавших технологий и крайняя слабость самогó эффекта делали его экспериментальную проверку чрезвычайно трудной задачей. Один из первых экспериментов провел в 1958 году Маркус Спаарней (Marcus Spaarnay) из центра Philips в Эйндховене. Спаарней пришел к выводу, что его результаты «не противоречат теоретическим предсказаниям Казимира». В 1997 году началась серия гораздо более точных экспериментов, в которых было установлено согласие между наблюдаемыми результатами и теорией с точностью более 99%.

В 2011 году группа ученых из технологического университета Чалмерса подтвердила динамический эффект Казимира. В эксперименте благодаря модификации СКВИДа ученые получили подобие зеркала, которое под воздействием магнитного поля колебалось со скоростью около 5% от световой. Этого оказалось достаточно для того, чтобы наблюдать динамический эффект Казимира: СКВИД испускал поток микроволновых фотонов, причем их частота была равна половине частоты колебаний «зеркала». Именно такой эффект предсказывала квантовая теория.

В 2012 году группа исследователей из Флоридского университета сконструировала первую микросхему для измерения силы Казимира между электродом и кремниевой пластиной толщиной 1,42 нм при комнатной температуре. Устройство работает в автоматическом режиме и снабжено приводом, который регулирует расстояние между пластинами от 1,92 нм до 260 нм, соблюдая параллельность. Результаты измерений довольно точно совпадают с теоретически рассчитанными значениями. Данный эксперимент показывает, что на данных расстояниях сила Казимира может быть основной силой взаимодействия между пластинами.

В 2015 году удалось экспериментально обнаружить и измерить крутящий момент Казимира.

Итак, две незаряженные проводящие пластины под воздействием вакуумных флуктуаций схлопываются. Обратимся теперь к патентам US 20080296437 А1, 04.12.2008. ЕР 1461593 В1, 06.04.2011. US 20060027709 А1, 09.02.2006. US 6665167 В2, 16.12.2003. US 5590031 А, 31.12.1996. и особенно к патенту RU 2610018 С2, опубликован 07.02.2017. Бюл. № 4, выданному ФИПС в 2017 году. В процессе работы над последним патентом проводилась расширенная экспертиза, привлекались ученые физики в результате признана промышленная применимость устройства, позволяющего получить движение тел при помощи эффекта Казимира, за счет вакуумных флуктуаций. Устройство работает следующим образом:

Формула изобретения RU 2610018

1. Способ приведения в движение тел при помощи эффекта Казимира, который заключается в том, что ускоряющая сила возникает в результате разницы в воздействии виртуальных фотонов или любых других виртуальных частиц на рабочие отражающие поверхности изнутри базового устройства и снаружи, причем базовое устройство представляет из себя боковую поверхность пирамиды с любым числом граней, а также с любым соотношением размеров граней у основания, либо конуса, имеющего круглое или эллипсовидное основание, причем эксцентриситет эллипса может иметь любое значение, при этом указанная поверхность должна быть максимально легкой и максимально гладкой, с максимальным коэффициентом отражения, максимально сдвинутым в область высоких частот (энергий), в результате чего возникает равнодействующая сила, приложенная к этому базовому устройству и действующая вдоль его оси симметрии.

Если мы обратимся к чертежам и описанию, представленному в патенте RU 2610018 С2, опубликован 07.02.2017 Бюл. № 4 (см. публикацию патента), мы увидим, что давление виртуальных фотонов на внутреннюю поверхность конусов меньше чем на наружную.

Представим теперь, что мы взяли прямоугольный параллелепипед с коническим углублением (см. фиг. 3). Суммарные силы, действующие на поверхность, обозначенную буквой А будут меньше благодаря пониженному давлению виртуальных фотонов внутри конуса, а суммарные силы, действующие на поверхность, обозначенную буквой В будут больше благодаря полному давлению виртуальных фотонов. При этом вектор силы, вызванный давлением виртуальных фотонов на боковые поверхности, взаимно сократится, и наша фигура будет двигаться в направлении поверхности А. Углубление на поверхности фигуры не обязательно должно быть строго конической формы (Фиг. 1). По сути любое углубление, в том числе цилиндрическое (см. Фиг. 2), имеющее наноразмеры, также будет препятствовать образованию виртуальных фотонов, а значит поверхность А будет испытывать пониженное давление виртуальных фотонов.

Представим теперь, что мы взяли большое количество подобных фигур и соединили их боковыми поверхностями. В результате мы получим пленку, с одной стороны обозначенную буквой А, имеющий множество углублений нано размеров (до 100 нанометров). На внутреннюю поверхность конусов, обозначенную на Фиг. 3 буквой А, давление виртуальных фотонов будет понижено, а на поверхность, обозначенную буквой Б виртуальные фотоны будут оказывать давление в полном объеме. В результате наша пленка будет перемещаться направление стороны А.

Если с одной стороны пленки будут иметься выступающие неровности наноразмеров (см. Фиг. 4), углубления между ними будут выполнять те же функции, что и углубления в поверхности пленки, а значит пленка будет двигаться в направлении стороны имеющей неровности.

Движение описываемой в изобретении пленки очень напоминает движение солнечного паруса. Пленка, из которой он изготовлен, испытывает с обеих сторон давление РЕАЛЬНЫХ фотонов, производимых космическими объектами, например, звездами, но с одной стороны давление обычно больше, за счет увеличенного светового потока от ближайшей звезды, поэтому пленка солнечного паруса движется в сторону пониженного давления реальных фотонов. В описываемом патенте, пленка тоже будет испытывать с одной стороны пониженное давление виртуальных фотонов, а с другой повышенное давление и будет двигаться в сторону пониженного давления.

Данное движение может быть использовано множеством различных способов, например, подобная пленка может быть использована в качестве аналога солнечного паруса для разгона космических кораблей и атмосферных конструкций, если выполнить из подобной пленки лопатки импеллера можно получить вращательное движение кроме того свободное движение подобной пленки можно использовать множеством других способов.

Поскольку углубления на поверхности пленок могут быть любой формы существующий уровень техники позволяет производить подобные пленки многими способами из различных материалов - металлов, неметаллов, например, углерода и т.д. проводящих полимеров и т.д., и т.п. Например, можно наносить на тонкую золотую фольгу нано шарики из того же материала или наносить фуллерены на слой графена. Для создания неровностей можно использовать методы травления, лазерного испарения материала или удаление материала с помощью разогнанных частиц, растворения материала, состоящего из разных компонентов т.д. и т.п. Можно использовать также биологические методы производства. Например, можно генномодифицировать бактерии для производства углеродного каркаса и после разрастания бактерий на поверхности, растворять не углеродную составляющую. Бактерии могут выполнять роль защитного лака или скелета во время процедуры напыления, электролиза или травления пленки. Для проводящих полимеров можно использовать методы самосборки, аналогичные образованию рецепторов на мембране клетки. Пожалуй, самый на данный момент технологичный способ производств подобных пленок - это изготовление пленки из двух слоев. Первый слой цельный второй слой перфорированный. Технологии сквозного перфорирования пленки разработаны хорошо, например, они используются для создания мембран обратного осмоса.

Способ преобразования силы, полученной за счет квантовых флуктуаций в вакууме, в механическое движение, характеризующийся тем, что для указанного преобразования используют незаряженную проводящую пленку, которая состоит из двух слоев, причем первый слой цельный, а второй перфорированный с цилиндрическими перфорационными углублениями, препятствующими образованию виртуальных фотонов.