В ранее опубликованных статьях
Рассматривалось применение эффекта Казимира, но технологичность предлагаемых решений была весьма низкая. Далее рассматривается доступный для изготовления уже сейчас движитель "квантовое весло", использующий комбинацию статического и динамического эффекта Казимира, не нарушая при этом законы сохранения энергии и импульса.
Конструктивно единичный движитель состоит из изготовленной на кремниевой подложке по техпроцессу 12 нм (TSMC FinFET или аналог) нанополусферы из SiO2, покрытой чередующимися слоями проводников и изоляторов. Число слоёв равно 15 - по восемь слоёв проводника и семь слоёв изолятора, первый и последний слой - проводник. Материалы и толщина слоёв:
- Проводник - золото Au, толщина слоя 40 нанометров
- Изолятор - диоксид титана TiO2, толщина слоя 10 нанометров
Принцип работы единичного движителя (нанополусферы с многослойным покрытием Me-изолятор)- статический эффект Казимира, созданный в пакете слоёв металл-изолятор, топологически смещается подаваемым на внешний и внутренний слой проводника пилообразным ВЧ напряжением. Получается аналог "весла", отталкивающего при сдвиге за счёт ВЧ модуляции вакуумные флуктуации эффекта Казимира. За счёт этого создаётся тяга на наноуровне, при этом законы сохранения энергии/импульса НЕ НАРУШАЮТСЯ - без подвода электромагнитной энергии движитель не работает.
Единичные движители собраны в тяговые кластеры по 100 штук, где проводниками по подложке соединены вместе внутренние и внешние проводящие слои. К созданным группам внешних и внутренних проводящих слоёв подключён выполненный на подложке по техпроцессу 12 нм генератор, выдающий пилообразные импульсы регулируемой частотой 10-20 гигагерц. Так же в кластере размещён шинный интерфейс для связи с блоком управления.
Рассмотрим параметры системы тяговых кластеров (тягового чипа), изготовленной по техпроцессу 12 нм на кристалле площадью 250 квадратных миллиметров:
1. Ключевые параметры тягового чипа
- Число кластеров 35 360
- Число нанополусфер 3 536 000
- Активная площадь 2,5 см*2
- Шаг между нанополусферами в кластере: 300 нм (3×D для изоляции), нанополусферы в узлах сетки с шагом 300 нм
- Блок управления RISC-V ядро (криогенная версия)
- Интерфейс: Шины питания/управления через TSV (кремниевые сквозные отверстия)
- Температура 5 кельвинов (в криостате)
Площадь и мощность на кластер:
- Нанополусфера: 0.0113 мкм²
- ВЧ-генератор (12 нм): 2500 мкм²
- Буферная зона: 1000 мкм²
- Итого на кластер: 3500 мкм² = 0.0035 мм²
- Потребляемая мощность 10 мквт
Тяга за счёт разности сил Казимира на одну полусферу
Динамическое усиление ВЧ-сигналом (пилообразная модуляция):
Асимметрия пилообразного сигнала:
Во время крутого фронта (длительность t1) изменение δd происходит быстро, а во время пологого спада (длительность t2) - медленно.
Пусть: период T = t1 + t2, и t1 << t2 (например, t1 = 0.1 T, t2 = 0.9 T).
Тогда средняя тяга за период (направление: от выпуклой стороны к вогнутой) будет связана с разницей в импульсах:
Импульс за время крутого фронта: I1 = |ΔF| * t1 (в направлении к центру кривизны, т.е. отрицательный)
Импульс за время спада: I2 = -|ΔF| * t2 (в противоположном направлении, положительный) - но здесь сила возвращается к исходной, поэтому изменение силы в обратном направлении.
Однако, чтобы получить чистый импульс в сторону вогнутой части, нам нужно, чтобы при сжатии (увеличении силы притяжения) реакция на подложку толкала систему в сторону вогнутой части.
Направление сил:
- Сила Казимира действует на выпуклую сторону, притягивая ее к центру кривизны.
- Центр кривизны находится за выпуклой стороной.
- Следовательно, при увеличении силы притяжения, подложка испытывает силу, направленную к центру кривизны (т.е. в сторону выпуклой части).
- Реакция: сама система (подложка) получает импульс в противоположном направлении - в сторону вогнутой части.
Поэтому:
В фазе сжатия (крутой фронт): сила Казимира увеличивается, что создает толчок на подложку в направлении ОТ центра кривизны (т.е. к вогнутой стороне).
В фазе расширения (пологий спад): сила Казимира уменьшается, и система расслабляется, но без резкого толчка.
Таким образом, асимметрия: резкий толчок в одном направлении и медленное возвращение без значительного импульса в обратном.
Тяга одного кластера из 100 нанополусфер (с учётом возможных потерь):
Суммарная тяга:
2. Массогабаритные параметры тягового чипа
компоненты массы
Корпус/охлаждение (оптимизировано):
- Миниатюрный титановый криокорпус: 12 г
- Термоинтерфейсы: 3 г
- Итого пассивная часть: 15 г
Общая масса
3. Ускорение и энергетика
Ускорение
Потребляемая мощность:
- Мощность на кластер: 7 мкВт (оптимизировано для рабочей температуры 5 К)
- Суммарная мощность:
- плотность мощности: 99 мвт/см*2
4. Физические характеристики наноэлементов
5. Производственные требования
- Литография:
EUV-степпер с точностью ≤ 3 нм
Самосборка полусфер: блок-сополимеры PS-PDMS - Криосистема:
Двухступенчатый криокулер (Gifford-McMahon)
Температура: 5 К ± 0.1 К - Интерфейс:
256 TSV-контактов (диаметр 10 мкм)
Криогенная разъёмная панель
6. Экспериментальные ожидания
- Измеряемая тяга: 7.072 ± 0.5 мН
- Чувствительность: 0.1 мкН (лазерный интерферометр)
- Критические тесты:
Калибровка без ВЧ-сигнала (фоновая тяга)
Зависимость тяги от частоты (10-20 ГГц)
Долговременная стабильность (100+ часов)
7. Сравнение с ионными двигателями
Рабочие параметры тягового чипа 250 мм²:
- Тяга: 7.072 мН
- Масса: 15.7 г
- Ускорение: 0.450 м/с² (0.046g)
- Потребляемая мощность: 247.5 мВт
- КПД преобразования: 28.6 μН/Вт
8. Ключевые преимущества и недостатки
Ключевые преимущества:
- Ускорение в 460 раз выше чем у ионных двигателей при сопоставимой тяге
- Масса системы меньше в 520 раз
- Не требует рабочего тела
- Допускает простое увеличение тяги установкой множества тяговых чипов
- Простое управление тягой за счёт управления количеством работающих тяговых кластеров на чипе (больше включённый тяговых кластеров -> больше тяга)
- Крайне низкое энергопотребление - сборка из 100 тяговых чипов выдаст тягу 0,7 Ньютона при потребляемой мощности 25 ватт
Недостатки данного движителя:
- Для работы требуется поддержание температуры тяговых нанополусфер в глубоком вакууме при температуре на уровне 5 кельвинов. При повышении температуры исчезает эффект сверхпроводимости и нанополусферы разрушаются от перегрева.
- Может использоваться только в открытом космосе, для взлёта с поверхности космических тел крупнее астероиде непригоден
Технологические риски:
- Стабильность нанослоев при термоциклировании
- Кросс-токи в многослойной матрице
- Калибровка групповой работы кластеров
Прототип такого чипа может быть изготовлен на мощностях TSMC/Intel с использованием 12 нм техпроцесса и EUV-литографии. Для демонстрации эффекта рекомендуется испытание на крутильном маятнике в криовакуумной камере.
О том, как сильно упростить и не менее сильно улучшить "квантовое весло" - в следующей статье.