Onderzoekers hebben een waterverhullingsconcept ontwikkeld op basis van elektromagnetische krachten die het kielzog van een object kunnen elimineren, de weerstand aanzienlijk verminderen en tegelijkertijd detectie helpen voorkomen.

Het idee ontstond in 2011 aan de Duke University toen onderzoekers het algemene concept schetsten. Door de versnelling van het omringende water af te stemmen op de beweging van een object, het zou theoretisch mogelijk zijn om de voortstuwingsefficiëntie aanzienlijk te verhogen terwijl de omringende zee ongestoord wordt gelaten. De theorie was een uitbreiding van het pionierswerk van de groep op het gebied van metamaterialen, waar de structuur van een materiaal, in plaats van zijn chemie, creëert gewenste eigenschappen.

Zes jaar later, Yaroslav Urzhumov, adjunct-assistent-professor elektrische en computertechniek bij Duke, heeft de theorie geüpdatet door een mogelijke aanpak uit te werken. Maar in plaats van een complex systeem van zeer kleine pompen te gebruiken, zoals oorspronkelijk werd gespeculeerd, Urzhumov wendt zich tot elektromagnetische velden en de dichte concentratie van geladen deeltjes in zout water.

De studie verschijnt online in het tijdschrift Fysieke beoordeling E op 7 dec. 2017.

"Het oorspronkelijke idee was zo groot dat het collega's van het Naval Undersea Warfare Centre verleidde om ons te helpen het na te streven, ook al waren ze ongelooflijk sceptisch, " zei Urzhumov, die een van de onderzoekers was die aan het originele artikel uit 2011 werkten. "Vanaf dat moment, we hebben een pad gevonden om dit schijnbaar onmogelijke voorstel te verwezenlijken."

De kern van het probleem dat wordt aangepakt, is dat water een relatief stroperige vloeistof is die, wanneer verplaatst, trekt graag zijn omgeving mee voor de rit door schuifkrachten. Een vis voelt zich door al het meegesleurd water veel zwaarder door het water getrokken dan door de open lucht getild.

Naast het trekken van extra water, weerstand kan ook worden verhoogd door hoe water rond een object stroomt. Een hydrodynamisch object waarvan de vloeistof soepel langs het oppervlak stroomt, zorgt voor veel minder weerstand dan een blokvormig object dat een chaos van chaotische, turbulente stromingen in zijn kielzog.

De oplossing voor deze problemen is om het water uit de weg te ruimen. Door het water rond het object te versnellen om zijn snelheid aan te passen, schuifkrachten en turbulente stromingen kunnen beide worden vermeden.

"Er zijn veel manieren om wake en drag te verminderen, zoals het omringen van een object met bellen met lage wrijving, wat eigenlijk wordt gedaan met enkele zeetorpedo's, ' zei Urzhumov. 'Maar je kunt maar zoveel doen als je alleen maar aan de oppervlakte krachten uitoefent. Dit verhulidee opent een nieuwe dimensie om krachten te creëren rond een onderwaterschip of object, wat absoluut nodig is om volledige wekonderdrukking te bereiken."

Urzhumov had oorspronkelijk een soort truss-achtig frame voor ogen dat een object omhulde met dunne structuren en kleine pompjes om de stroom te versnellen terwijl het er doorheen ging. Maar naarmate de tijd verstreek, hij besloot dat een meer praktische benadering zou zijn om "magnetohydrodynamische" krachten te gebruiken.

Wanneer een geladen deeltje door een elektromagnetisch veld reist, het veld creëert een kracht op het deeltje. Omdat oceaanwater boordevol ionen zoals natrium zit, kalium en magnesium, er zijn veel geladen deeltjes om te duwen. Het idee is niet zo gek als het misschien klinkt - Japan bouwde in 1991 een prototype passagiersschip genaamd de Yamato 1 en gebruikte deze krachten als voortstuwingsmiddel. maar ontdekte dat de aanpak niet efficiënter was dan traditionele propellers.

In de nieuwe krant Urzhumov en zijn afgestudeerde student, decaan Culver, gebruik vloeistofdynamica-simulaties om te laten zien hoe een watermantel met deze benadering kan worden bereikt. Door de snelheid en richting van het water rond een bewegend object te regelen, de simulaties laten zien dat een dergelijk systeem de beweging van het water in de mantel kan afstemmen op die van de omringende zee.

Hierdoor zou het lijken alsof het water in de mantel volledig stagneert ten opzichte van het water buiten de mantel, het elimineren van de sleep en wake. Natuurlijk, praktische implementaties zijn niet perfect, dus enige slepen en kielzog zou in elke realisatie van het apparaat blijven.

Terwijl de simulaties een verhullende schaal gebruikten die de helft van de breedte van het object zelf was, de berekeningen laten zien dat de schaal in theorie zo dun kan zijn als je wilde. Een ander belangrijk resultaat was dat de krachten in de schaal niet van richting hoefden te veranderen als het object versnelde, ze zouden alleen meer kracht nodig hebben.

"Dat is een van de belangrijkste verworvenheden van dit document, " zei Urzhumov. "Als je de verdeling van krachten niet hoeft aan te passen, je hebt geen elektronische schakelaars of andere vormen van dynamische besturing nodig. Je kunt de structuur instellen met een specifieke configuratie en gewoon de stroom opvoeren naarmate het object versnelt."

Urzhumov zegt dat als een echt schip of onderzeeër ooit zo'n apparaat gebruikt, het zou een kernreactor nodig hebben om het van stroom te voorzien, gezien de enorme energiebehoefte om een ​​object van die omvang te verhullen. Dat betekent niet, echter, dat een kleiner dieselvaartuig een kleiner verhulapparaat niet zou kunnen aandrijven om potentieel kwetsbare uitsteeksels tegen detectie te beschermen.

Urzhumov zegt ook dat zijn theorieën en berekeningen veel potentiële toepassingen buiten de oceaan hebben. Soortgelijke ontwerpen kunnen worden gebruikt om een ​​gedistribueerd ionenvoortstuwingssysteem voor ruimtevaartuigen te creëren of om plasma-instabiliteiten in prototypes voor thermonucleaire fusiereactoren te onderdrukken.

"Ik geloof dat deze ideeën op verschillende van deze gebieden tot bloei zullen komen, " zei Urzhumov. "Het is een heel spannende tijd."