Inovativna magnetska levitacija bez napajanja

Istraživači u Jedinici za kvantne strojeve na japanskom Institutu za znanost i tehnologiju Okinawa (OIST) proučavaju levitirajuće materijale, tvari koje mogu lebdjeti u stabilnom položaju bez ikakvog fizičkog kontakta ili mehaničke potpore.

Najčešći tip levitacije događa se kroz magnetska polja. Objekti kao što su supravodiči ili dijamagnetski materijali (materijali koje odbija magnetsko polje) mogu se natjerati da lebde iznad magneta kako bi se razvili napredni senzori za razne znanstvene i svakodnevne svrhe.

Prof. Jason Twamley i njegov tim istraživača i međunarodnih suradnika, dizajnirali su lebdeću platformu unutar vakuuma koristeći grafit i magnete. Zanimljivo je da ova lebdeća platforma radi bez oslanjanja na vanjske izvore energije i može pomoći u razvoju ultraosjetljivih senzora za vrlo precizna i učinkovita mjerenja.

Kada se vanjsko magnetsko polje primijeni na 'dijamagnetske' materijale, ti materijali stvaraju magnetsko polje u suprotnom smjeru, što rezultira odbojnom silom pa se odguruju od polja. Stoga predmeti izrađeni od dijamagnetskih materijala mogu lebdjeti iznad jakih magnetskih polja. Na primjer, u maglev vlakovima snažni supravodljivi magneti stvaraju snažno magnetsko polje s dijamagnetskim materijalima za postizanje levitacije, naizgled prkoseći gravitaciji.

Grafit, kristalni oblik ugljika koji se nalazi u olovkama, snažno se odbija od magneta (jako je dijamagnetičan). Kemijskim oblaganjem praha mikroskopskih grafitnih kuglica silicijevim dioksidom i miješanjem obloženog praha u vosku, istraživači su formirali tanku četvrtastu ploču veličine centimetra koja lebdi iznad magneta raspoređenih u rešetkastom uzorku.

Stvaranje lebdeće platforme koja ne zahtijeva vanjsko napajanje ima nekoliko izazova. Najveći ograničavajući čimbenik je 'prigušenje vrtloga' do kojeg dolazi kada oscilirajući sustav gubi energiju tijekom vremena zbog vanjskih sila. Kada električni vodič, poput grafita, prolazi kroz snažno magnetsko polje, doživljava gubitak energije zbog protoka električne struje. Ovaj gubitak energije obeshrabrio je korištenje magnetske levitacije za razvoj naprednih senzora, kao što možete vidjeti u ovom videu.

Znanstvenici OIST-a namjeravaju konstruirati platformu koja može lebdjeti i oscilirati bez gubitka energije, što znači da će, jednom kada se pokrene, nastaviti oscilirati dulje vrijeme, čak i bez dodatnog unosa energije. Ova vrsta platforme 'bez trenja' mogla bi imati mnoge primjene, uključujući nove vrste senzora za mjerenje sile, ubrzanja i gravitacije.

Međutim, čak i ako znanstvenici uspiju smanjiti prigušenje vrtloga, postoji još jedan izazov: minimiziranje pokretne (kinetičke) energije oscilirajuće platforme. Smanjenje ove razine energije važno je iz dva razloga. Prvo, čini platformu osjetljivijom za korištenje kao senzor. Drugo, hlađenje njegovog kretanja prema kvantnom režimu (gdje dominiraju kvantni efekti) moglo bi otvoriti nove mogućnosti za precizna mjerenja. Stoga, da bi se postigla uistinu samoodrživa lebdeća platforma bez trenja, potrebno je riješiti izazove prigušenja vrtloga i energije kretanja.

Kako bi se pozabavili ovim problemom, istraživači su se usredotočili na stvaranje novog materijala dobivenog od grafita. Njegovom kemijskom promjenom transformirali su grafit u električni izolator. Ova promjena zaustavlja gubitke energije, dok dopušta materijalu da lebdi u vakuumu.

Grafitna kompozitna ploča dugo se njiše iznad magneta, ali s vremenom gubi energiju zbog trenja zraka.

U svojoj eksperimentalnoj postavci znanstvenici su kontinuirano pratili kretanje platforme. Koristeći te informacije u stvarnom vremenu, primijenili su povratnu magnetsku silu kako bi prigušili kretanje platforme.

Tim prof. Twamleyja fokusiran je na korištenje levitirajućih materijala za izradu mehaničkih oscilatora, sustava koji imaju ponavljajuće ili periodično gibanje oko središnje točke. Te se oscilacije događaju u različitim kontekstima, poput njihala, masa povezanih s oprugama i akustičkih sustava. Ovo istraživanje otvara uzbudljive mogućnosti za ultraosjetljive senzore i postizanje precizne kontrole nad oscilirajućim platformama.

Istraživanje objavljeno u časopisu Applied Physics Letters možete pronaći na ovoj poveznici.