Manufacturing moleculara si privare de Aircar
La inceputul acestui an, am petrecut ceva timp studiind problema de design de masini zburatoare. Acest lucru a fost initiat de catre o sugestie de Al Globus de NASA Ames, care sa gandit ca ar fi o modalitate buna de a obtine unele dintre oameni aeronautica de la Ames a aprecia posibilitatile din procesul de fabricatie moleculare. Sunt foarte recunoscator pentru ajutorul de Eric Drexler cu proiectul, si, de asemenea, unele sugestii de la Jeffrey Soreff.
Destul de surprinzator, este o problema non-triviala, chiar cu de fabricatie moleculara. De cincizeci de ani, aircar privat, adica un vehicul aeronautica, care este functional si economic capabil de a inlocui de automobile, a parut tantalizingly aproape de realitate. Iata un montaj de cele cateva reale, experimentale, si fictiva. Aceasta speranta a esuat in mai multe obstacole:
- Cost cu o schimbare. Pentru performantele necesare, un motor cu putere-greutate din clasa raporturi turbinei cu gaze este necesar; aceste cost cu o schimbare $ 100.000 si in sus. Pentru siguranta, vehiculul ar necesita o intretinere constanta, cresterea costurilor de exploatare in mod semnificativ.
- Siguranta. Vehiculele VTOL sunt dificil de a acoperi. Un tipic experimentale, Ryan XV5 Vertifan, a avut doua prototipuri construit; ambele prabusit, provocand moartea a pilotilor.
- Zgomot si a impactului de mediu. La viteze reduse, un automobil bine pus la punct pe trotuar buna poate functiona la niveluri de zgomot de 10-20 dB; este posibil pentru o masina de abordare a persoanelor care sunt intr-o conversatie in termen de lungimea bratului, fara a fi observat. Elicoptere, pe de alta parte, sunt atat de zgomotos ca planurile pentru heliporturi in zonele suburbane evoca proteste publice si de rezistenta organizate. (Conducte cu jet de ambarcatiuni, cum ar fi Harrier sunt noiser inca.) Aceasta discrepanta format, probabil, cea mai grea provocare tehnica a intregii intreprinderi.
Parametrii de performanta
In considerare gama de moduri posibile de transport, exista doua foarte clare locale optime dintre toate posibilitatile pe care mi sa parut extrem de dorit sa se potriveasca. In primul rand este masina de familie, in special in ceea ce priveste capacitatea sa de sarcina utila si comoditatea de functionare care le ofera. In al doilea rand este regimul de zbor de avioane comerciale. Aceasta este, probabil, mai putin cunoscut. Pentru cei 50 de ani care au precedat anul 1970, viteze tipic comercial de calatorii aeriene a crescut exponential, pentru urmatorii treizeci de ani, au ramas constante. Avioane acoperi chiar deasupra tropopauzei si chiar sub viteza sunetului.
Astfel, obiectivul nostru de proiectare este o masina care se potriveste in garaj, ia de pe aleea de la dumneavoastra - in liniste, nu este apt pentru a rasturna peste si se arunca cu capul in casa ta in timp ce face acest lucru, si croaziere de la 6 + mile pana la + 500 mph.
Proiectarea o astfel de masina ilumineaza multe dintre consideratiile care dupa toate probabilitatile va fi tipice pentru multe produse anticipate din procesul de fabricatie moleculare. In primul rand, interfata de nano-mecanismul de lumea macroscopic este problematica. Filme suprafata de umiditate afecteaza expuse nanomechanisms cum ar fi folosite la turnare, melasa peste masini conventionale. In al doilea rand, consideratiile majore in proiectarea vehicul conventional, avand de a face cu suficienta putere in motor si greutatea (de motor si vehicul), in esenta, dispar.
Una din figurile cele mai remarcabile calculate in nanosisteme este raportul putere-greutate a motorului electric descrise in sectiunea 11.7. Pentru comparatie, un motor de automobil tipic s-ar putea produce 100 kW. Drexler motoare care produc aceeasi putere ar ocupa un volum de o zecime de milimetru cub, aproximativ la fel ca un fir de par de la unul din sprancene mele. In termeni practici, aceasta inseamna ca, in desenele de fabricatie moleculare, putem pune motoare peste tot cu aproape nici un cost in greutate sau volum.
Aceasta abilitate nu vine fara un pret, cu toate acestea. Cel mai mare cost pentru designer este complexitatea de control. Acest lucru este intr-o anumita masura, aceeasi problema care a ajuns sa fie bane de software, este usor sa se creeze sisteme atat de complexe incat designerii lor nu le inteleg pe deplin, in detrimentul, printre altele, fiabilitatea lor. Astfel, ne cuvine ca designerii sa exercite un anumit retinere.
Schimbarea formei
Cele mai linistite mod de a lua off este pentru a sari. In plus, daca sunteti decolarea intr-o zona cu copaci si cladiri, si / sau vanturi furtunos, este avantajos de a mentine contactul cu solul pana cand veti fi mai sus de inaltimea obstacolelor. Astfel, aircar noastre vor fi echipate cu picioare extensibil pentru a sari-decolare. Am proiectat a picioarelor, care cantaresc mai putin de o uncie, ori pentru a fi mai putin de o centimetri lungime, si sa extinda la inaltimea de o cladire de cinci poveste. Sunt in esenta, buteliile telescopic de diamondoid. Acestea contin mii de motoare, dar in conformitate cu principiul de control simplu, toate motoarele faca acelasi lucru in acelasi timp, picior ca un intreg are un grad de libertate.Forma-schimbarea este aproape sigur sa fie un element major de produse de fabricare a moleculare. Una dintre cele mai importante contributii ale acestei lucrari si munca mea anterioare pe timp de ceata utilitar a fost dezvoltarea unui sistem general de forma de schimbare pe baza teoriei de fluxul de lichid laminar. Debit laminar, astfel cum sunt descrise de ecuatiile Navier-Stokes, este destul de bine inteleasa, cel putin in comparatie cu alte metode modalitati de a descrie un fenomen de complexitate similara (cum ar fi de curgere turbulenta sau seturi de instructiuni specifice de rutare in fiecare parte a unei forme- Mecanismul de schimbare. Romanul parte a lucrarii este de a dezvolta o versiune discret, care se aplica la o multime de masini in loc de un fluid continuu.
Daca o gama destul de bine-caracterizat de modificarile de forma este de dorit, cum ar fi schimbarile in marimea si forma unei aripi, care se adapta la regimuri diferite de zbor, putem pre-calcula si fluxurile de a produce un mecanism construit in mare parte din foarte subtire foi diamondoid ca diapozitivul pe fiecare alte (cu reglaj electric - milioane de motoare Drexler incorporate in ele). Acest lucru ne permite sa proiecteze o masina ale carui aripi seamana cu cele ale unei pasari pentru zborurile low lent, cele ale unui avion pentru zbor de mare si rapid, si atunci cand dispar complet de pe teren. Proiectare atenta ne permite sa produca structuri cu o parte considerabila a proprietatilor rezistenta / greutate de cele rigide. Astfel, se pare destul de realizabil de a avea un vehicul cu o greutate proprie de 100 kg sau cam asa ceva.
Un alt avantaj major al formei schimbare de aeronava este ca in timpul zborului, toate gadget-uri inutile, picioare, anexe, precum si alte proeminente pot disparea complet. lasand un loc curat. complet forma rationalizate (si reducand semnificativ trageti). Intr-adevar, putem sa orienteze si sa controleze atitudinea, prin intermediul a schimba forma in aripi si corp, ceea ce inseamna ca nu avem de a avea aripioare coada, canard, sau alte suprafete separate de control, reducand si mai mult trageti. (Nota, apropo, ca utilizarea acestor tehnici este destul de simpla pentru a proiecta un robot umanoid de inaltime si rezistenta ce cantareste 5 grame si se pot prabusi la marimea unui pix cu bila (care cantareste intamplator 5 grame) Retineti, de asemenea. ca programarea controller pentru un astfel de robot este o sarcina mult mai dificila, daca intr-adevar este posibil.)
Liniste decolare
Problema de decolare zgomotoase ramane. Parametrii fizici ai problemei sunt ca zgomotul depinde de viteza fluxului de aer in jos aruncat. Pentru fortele de reactie in cele 10.000 de Newton gama, (presupunand vehicul, combustibil, si a marfurilor poate cantareste o tona), orice flux de ingust, cum ar fi un avion sau racheta, va fi prea zgomotos, indiferent de modul in care este produs. Pentru parametrii tipice avem nevoie de o sectiune transversala flux de cel putin 10 de metri patrati (de exemplu, un cerc de 12-picior). Acest lucru nu poate, totusi, sa fie produsa cu ajutorul unei elice sau palele rotorului, deoarece pot produce zgomot substantial prin alte mecanisme. Propunerea mea este o vela retractabil de "fancloth" - o tesatura cu o plasa cu privire la faptul ca de ecran fereastra (1,5 mm), in cazul in care fiecare spatiu este ocupat de un ventilator mic. Dimensiunea a fanilor este un compromis; daca mult mai mici sunt prea usor de sufocat de praf atmosferic, si mult mai mari daca acestea genereaza zgomot si turbulenta. (Asa cum este ele opereaza la un numar foarte redus Reynolds, si, astfel, pot evita probabil crearea de turbulente;. Pe de alta parte, acestea au crescut trageti vascos si, prin urmare consuma un pic mai mult) Retineti ca, desi tehnologia MEMS ar putea construi fanilor astazi, nici o tehnologie existenta ar putea furniza motoare.
Siguranta, intretinere, etc
Acesta nu poate fi in general cunoscute, dar de hardware si software-ul actual este capabil de a conduce un automobil de la o coasta la cealalta (de exemplu, CMU a "nr Hands Across America"). Pilot capabil sa zboare aircar cu doar un control indirect de la un operator uman sunt eminamente rezonabil sa ne asteptam in urmatoarea decada. Problema si mai mare este problema congestionarii spatiului aerian ar trebui sa aircar devenit populare. Eforturi considerabile sunt necesare de control automat al distribuit de trafic aerian, in cazul in care obstacolele politice pot fi depasite, cele tehnice nu par de netrecut.Aspectul final al aircar pe care am abordat a fost obiectul de auto-reparare si de intretinere auto. Acestea sunt strans legate de obiectul de masini de auto-replicare si de extindere, care este nucleul de agenda mea de cercetare in curs de desfasurare. (Pagini pe viitor acest lucru va fi la o data ulterioara).