Come funziona il motore di detonazione rotante

Puoi pensare a un motore di detonazione rotante come un tipo di motore di detonazione a impulsi, con una svolta. Questa è una turbina a gas General Electric Frame 7FA. Per gentile concessione di General Electric Company

Un motore progettato per una nave non si adatterà a un'auto ... ma i tipi di automobili tendono ad essere incuriositi dalla tecnologia più recente in termini di scoppi e boom. Dopotutto, un motore è un motore, capace di immensa potenza (e chissà quando tali innovazioni arriveranno al settore civile).

Quindi, con questo in mente, diamo un'occhiata al motore a detonazione rotante, un tipo di turbina a gas progettata per l'efficienza, con il suo ciclo di iniezioni ed esplosioni accuratamente costruito e coerente. Non è esattamente nuovo - il brevetto è stato concesso circa 20 anni fa - ma alla fine del 2012, sta solo ora scalfendo la superficie del suo potenziale di generare energia per grandi modalità di trasporto.

I ricercatori affermano che il motore di detonazione rotante potrebbe anche essere adattato per generare energia elettrica per navi e aerei completamente elettrici ... una volta che siamo abbastanza avanzati da avere barche e aeromobili affidabili guidati principalmente dall'elettricità, cioè.

L'esercito degli Stati Uniti ha scelto di investire nella ricerca e nello sviluppo del motore di detonazione rotante, in parte perché la tecnologia è facilmente scalabile: le dimensioni del motore possono essere aumentate e anche la produzione di energia sarà aumentata. (Che tu ci creda o no, non funziona sempre in questo modo.) Quindi non lo sappiamo mai: forse un giorno il motore di detonazione rotante può essere ridimensionato e la sua generazione di energia regolare può spingere tutti i tipi di materiale rotabile.

Tendiamo a pensare alle pressioni create all'interno di un motore come a una "detonazione" più controllata piuttosto che disorganizzata - vogliamo che sia prevedibile, non caotica. Ma se un motore è in grado di controllare un ciclo tipico con una precisione sufficiente a produrre una potenza costante, può anche controllare le detonazioni. E l'esplosione di pressione prodotta da una detonazione può portare a un motore più efficiente, se imbrigliato correttamente. In genere, un motore mescola aria e carburante per prepararlo alla detonazione, ovvero quando il carburante rilascia la sua energia. L'efficienza del rilascio di energia del carburante, tuttavia, dipende in larga misura dal tipo di motore.

È qui che il motore a detonazione rotante differisce dai tipi più comuni di motori a turbina a gas. L'aria e il carburante vengono miscelati (come al solito) prima di essere iniettati in una lunga camera di combustione circolare, in quello che "Physics Today" ha descritto come "un modo circolare sequenziale". La prima detonazione avvia un ciclo in cui la pressione di accensione continua intorno alla camera, accendendo in sequenza ogni iniezione. La pressione di ogni accensione mantiene il ciclo in movimento. La pressione quindi spinge i gas di scarico fuori dalla camera di combustione attraverso un ugello di scarico, che in realtà è la spinta generata dal motore, e si sposta per alimentare qualunque tipo di veicolo in cui è installato il motore (in questo caso, tipicamente, una nave o un aeroplano).

Il motore di detonazione rotante è in realtà una variazione di un altro design del motore: il motore a onde di detonazione a impulsi. Sebbene i motori a detonazione a impulsi forniscano risparmi energetici rispetto a molti altri tipi di motori, hanno ancora le loro inefficienze. Uno dei motivi è la camera di combustione che deve essere spurgata dopo ogni impulso. Il motore di detonazione rotante è un miglioramento rispetto al design pulsante, perché l'onda di detonazione gira costantemente intorno alla camera, eliminando la necessità di sprecare tempo ed energia con lo spurgo.

Poiché le detonazioni creano pressioni estreme, un motore di detonazione può essere progettato senza il compressore aggiuntivo solitamente richiesto. Non solo i compressori sono tipicamente complessi, ma il loro funzionamento generalmente assorbe anche molta energia. Tuttavia, l'aggiunta di un compressore a un motore di detonazione lo rende effettivamente ancora più efficiente. Questa compatibilità rende più facile il retrofit di veicoli con motore a turbina a gas da utilizzare con la tecnologia del motore a detonazione [fonte: Green Car Congress].

L'adeguamento delle navi della Marina esistenti, come il cacciatorpediniere missilistico guidato USS Arleigh Burke (DDG 51) mostrato qui, con la tecnologia del motore a detonazione rotante potrebbe comportare risparmi di milioni di dollari ogni anno. Per gentile concessione della US Navy, foto del giornalista di seconda classe Patrick Reilly

La Marina degli Stati Uniti sta ottenendo tutto il merito per i suoi recenti investimenti nella tecnologia (e per ravvivare il ciclo delle notizie), ma il motore di detonazione rotante è effettivamente in lavorazione da alcuni decenni, a questo punto. Il brevetto per il motore è stato depositato nel 1982 e concesso nel 1988 a un inventore di Rockville, Md. chiamato Shmuel Eidelman. (Il brevetto è in realtà chiamato "motore a detonazione rotante", piuttosto che "rotante" - non è chiaro quando il soprannome è cambiato.)

Shmuel Eidelman è stato un uomo impegnato. Ha ottenuto 14 brevetti dal 1982, concentrandosi su aeronautica, propulsione e prodotti chimici attraverso il suo lavoro con società scientifiche e organizzazioni militari [fonte: PatentBuddy]. Quindi, quando il brevetto è stato depositato, sembrava che la Marina avesse spinto la turbina a gas il più lontano possibile, ed era ora di iniziare a pensare in modo nuovo.

La Marina degli Stati Uniti era inizialmente interessata ai motori a detonazione a impulsi (come descritto in precedenza) e investì nella ricerca per sviluppare questi sistemi di risparmio di carburante. I ricercatori della Marina dicono che massimizzare il potenziale di questo tipo di motore si basa sulla comprensione della sua complessa fisica [fonte: US Naval Research Laboratory]. Il motore di detonazione rotante è ancora un motore a turbina a gas, come i motori che attualmente alimentano la flotta di navi e aeromobili della Marina, ma modificando e perfezionando il ciclo si sblocca molta potenza aggiuntiva. I ricercatori della Marina ritengono che i motori a detonazione rotanti abbiano il potenziale per ridurre il consumo di carburante nelle nuove apparecchiature del 25 percento, il che significherebbe un risparmio annuale di circa $ 300-400 milioni [fonte: Quick]. Un altro vantaggio del sistema è che potrebbe essere configurato per alimentare un motore elettrico, il che, in teoria, consentirebbe alle flotte militari di iniziare la transizione a trasmissioni elettriche (potenzialmente) più pulite, più economiche ed efficienti.

I motori a detonazione rotante non sono ancora pronti per partire, quindi le simulazioni sono il miglior predittore della loro efficienza, ma sono ancora abbastanza promettenti che la Marina stia portando avanti lo sviluppo. Non esiste un ETA pubblicamente noto per il completamento o l'implementazione, ma è probabile che il motore di detonazione rotante arriverà - un giorno, comunque - in una base navale vicino a te.

Nota dell'autore: come funziona il motore di detonazione rotante

Non sembra che nessuno abbia suggerito (non ancora, comunque) che il motore di detonazione rotante potrebbe effettivamente avere il potenziale per essere utilizzato in auto o camion. È stato inventato da un ragazzo specializzato in tecnologia militare ed è stato spinto nello sviluppo dalla Marina degli Stati Uniti. La dimensione effettiva del modello di motore in fase di sviluppo non è stata menzionata da nessuna parte, quindi questa è tutta una speculazione. Ma sappiamo questo: è ovviamente abbastanza grande da alimentare navi e aerei, e questo è molto più potere di quanto un'auto abbia bisogno. Dove sarebbe l'efficienza in questo?

Ma anni passati a scrivere di automobili e tecnologia dei trasporti mi hanno dimostrato che molte delle cose che usiamo ogni giorno sono state originariamente sviluppate per scopi completamente diversi - e le auto da corsa e i veicoli militari sono due fonti comuni. Anche se le auto a basso consumo di carburante stanno attualmente andando in una direzione diversa (ibride, elettriche e biocarburanti), non è incomprensibile dire che un giorno qualcuno potrebbe trovare un modo per ridimensionare un motore a turbina a gas super efficiente e metterlo sotto cofano di una macchina.

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fonti

• Brevetti di Google. "Brevetto US4741154 - Motore a detonazione rotativa." (17 febbraio 2013) http://www.google.com/patents/US4741154
• Green Car Congress. "I ricercatori della Marina progettano i motori a onda di detonazione rotante potrebbero produrre un guadagno di potenza del 10%, una riduzione del 25% del consumo di carburante rispetto alle turbine a gas". 2 novembre 2012. (13 febbraio 2013) http://www.greencarcongress.com/2012/11/rdwe-20121102.html
• PatentBuddy. "Eidelman, Shmuel." 2013. (17 febbraio 2013) http://www.patentbuddy.com/Inventor/Eidelman-Shmuel/11310789
• Fisica oggi. "La Marina degli Stati Uniti sta sviluppando un motore di detonazione rotante." 6 novembre 2012. (13 febbraio 2013) http://blogs.physicstoday.org/newspicks/2012/11/us-navy-developing-rotating-detonation-engine/
• Presto, Darren. "La US Navy indaga sull'uso di motori a detonazione rotante a risparmio di carburante". Gizmag.com. 4 novembre 2012. (13 febbraio 2013) http://www.gizmag.com/us-navy-nrl-rotating-detonation-engine/24862/
• US Naval Research Laboratory. "I ricercatori della marina guardano ai motori di detonazione rotanti per alimentare il futuro". 2 novembre 2012. (13 febbraio 2013) http://www.nrl.navy.mil/media/news-releases/2012/Navy-Researchers-Look-to-Rotating-Detonation-Engines-to-Power -il futuro