Вместо проводов – ультразвук: как направить электричество по воздуху?

Пост опубликован в блогах iXBT.com, его автор не имеет отношения к редакции iXBT.com

Вы когда-нибудь задумывались, как сложно направить молнию в нужное русло? Этот вопрос давно волнует учёных, ведь электрические разряды — мощный, но капризный инструмент. Они используются повсюду: от зажигания топлива в двигателях до стерилизации поверхностей и сварки металлов. Но вот беда — управлять ими невероятно сложно! Искра норовит проскочить по самому непредсказуемому пути, а это, согласитесь, не всегда удобно.

Звучит фантастично? А вот и нет!

Группа исследователей под руководством Асьера Марцо (Asier Marzo) из Общественного университета Наварры нашла, кажется, изящное решение этой проблемы. Вместо привычных (и, честно говоря, громоздких) лазеров, они предлагают… ультразвук!

Иллюстрация
Иллюстрация
Автор: ИИ Copilot Designer//DALL·E 3 Источник: www.bing.com

В чём же дело? Оказывается, ультразвуковые поля могут «укрощать» электрические разряды, направляя их точно в цель, даже если на пути встречаются препятствия. Это открывает совершенно новые горизонты в самых разных областях — от высоковольтной электроники до медицинских процедур.

Как это работает? Проще, чем кажется!

Представьте себе электрическую искру, пробивающуюся сквозь воздух. При этом воздух вокруг неё сильно нагревается. А нагретый воздух, как известно, имеет меньшую плотность, чем холодный. И вот тут-то на сцену выходит ультразвук!

«Мы обнаружили, что ультразвуковые волны создают области повышенного давления — своего рода акустические «каналы», — объясняет Хосу Ирисарри (Josu Irisarri), один из авторов исследования. — Эти «каналы» действуют как направляющие для горячего воздуха, а значит, и для самой искры.»

Проще говоря, ультразвук «выстраивает» для электрического разряда чёткий маршрут, по которому тот и следует. Причём, управлять этим маршрутом можно очень точно и быстро — буквально за миллисекунды!

Ультразвуковое поле, направляющее электрическую плазму. (A) Плазменная искра без приложенного ультразвукового поля. (B) Плазменная искра с ультразвуковым полем. (C) Амплитуда акустического поля (электрод зеленого цвета). Масштабные линейки, 1 см. Цитирование: Josu Irisarri et al. ,Electric plasma guided with ultrasonic fields.Sci. Adv.11,eadp0686(2025). DOI:10.1126/sciadv.adp0686
Ультразвуковое поле, направляющее электрическую плазму. (A) Плазменная искра без приложенного ультразвукового поля. (B) Плазменная искра с ультразвуковым полем. (C) Амплитуда акустического поля (электрод зеленого цвета). Масштабные линейки, 1 см. Цитирование: Josu Irisarri et al., Electric plasma guided with ultrasonic fields.Sci. Adv.11,eadp0686(2025). DOI:10.1126/sciadv.adp0686
Автор: Josu Irisarri et al. Источник: www.science.org
Не просто «прямая линия»: искры на любой вкус!

Но и это ещё не всё! Исследователи научились не только направлять искру по прямой, но и «закручивать» её по самым причудливым траекториям. «Мы можем заставить искру огибать препятствия, двигаться по спирали, — в общем, делать практически всё, что угодно!» — с гордостью заявляет Иньиго Эскурдиа (Iñigo Ezcurdia), участник команды.

Это стало возможным благодаря использованию специальных ультразвуковых излучателей. Меняя параметры их работы, учёные создают сложные акустические поля, которые и придают искре нужную форму. Звучит немного сложно, но на деле это напоминает управление лучом света с помощью системы зеркал и линз.

Направление искры вдоль искривленного акустического поля, созданного двумя фокусными точками, исходящими из двух колец излучателей. (A) Без ультразвука. (B) Только одна фокусная точка. (C) Изогнутое поле, созданное двумя пересекающимися фокусными точками. В верхнем ряду показана искра без присутствия препятствия, в среднем ряду - с ядром попкорна, а внизу - амплитудное поле. Электрод отмечен зеленым цветом. Масштабные линейки, 1 см. Цитирование: Josu Irisarri et al. ,Electric plasma guided with ultrasonic fields.Sci. Adv.11,eadp0686(2025). DOI:10.1126/sciadv.adp0686
Направление искры вдоль искривленного акустического поля, созданного двумя фокусными точками, исходящими из двух колец излучателей. (A) Без ультразвука. (B) Только одна фокусная точка. (C) Изогнутое поле, созданное двумя пересекающимися фокусными точками. В верхнем ряду показана искра без присутствия препятствия, в среднем ряду — с ядром попкорна, а внизу — амплитудное поле. Электрод отмечен зеленым цветом. Масштабные линейки, 1 см. Цитирование: Josu Irisarri et al., Electric plasma guided with ultrasonic fields.Sci. Adv.11,eadp0686(2025). DOI:10.1126/sciadv.adp0686
Автор: Josu Irisarri et al. Источник: www.science.org
Зачем это нужно?

Возможности применения этой технологии, прямо скажем, впечатляют. Точное и быстрое переключение электрических цепей без механических контактов в высоковольтной электронике — мечта любого инженера! В промышленности открываются возможности создания микроскопических узоров на поверхности материалов, а также сварка и резка с ювелирной точностью. Даже тактильные ощущения без прикосновений становятся реальностью! Можно «почувствовать» виртуальный объект, не касаясь его, что найдёт применение в игровой индустрии, медицине и других областях. Генерация ударных волн заданной формы — ещё одно направление, открывающее путь к разработке новых методов лечения и диагностики.

Наведение искры в разные моменты времени. (A) Искра включается, когда ультразвуковое поле уже включено. (B) Искра уже включена, а ультразвуковое поле включено в момент t = 0. (C) Искра наклоняется вправо-влево с помощью динамического управления массивом. Масштабные линейки, 1 см. Цитирование: Josu Irisarri et al. ,Electric plasma guided with ultrasonic fields.Sci. Adv.11,eadp0686(2025). DOI:10.1126/sciadv.adp0686
Наведение искры в разные моменты времени. (A) Искра включается, когда ультразвуковое поле уже включено. (B) Искра уже включена, а ультразвуковое поле включено в момент t = 0. (C) Искра наклоняется вправо-влево с помощью динамического управления массивом. Масштабные линейки, 1 см. Цитирование: Josu Irisarri et al., Electric plasma guided with ultrasonic fields.Sci. Adv.11,eadp0686(2025). DOI:10.1126/sciadv.adp0686
Автор: Josu Irisarri et al. Источник: www.science.org
Ультразвук против лазеров: кто победит?

До сих пор для управления электрическими разрядами в основном использовались мощные лазеры. Но у них есть ряд недостатков: они дороги, громоздки, требуют сложной настройки и, что немаловажно, могут повредить обрабатываемые материалы или даже зрение человека.

Ультразвуковые же системы, по словам исследователей, гораздо проще, безопаснее и дешевле. Кроме того, им не требуется синхронизация с электрическим разрядом, в отличие от лазеров.

Длиннофокусная фотография электрической искры при переводе катушки Тесла внутрь ультразвукового кольца. (A) Вид сбоку во время перевода катушки в одно измерение. (B) Вид сверху во время сканирования катушки в двух измерениях с помощью ЧПУ. На правых половинах изображений наложены смоделированные амплитудные поля. Время перевода в одномерное измерение составляет 5 с, а время двумерного сканирования - 20 с. Масштабные линейки - 1 см. Цитирование: Josu Irisarri et al. ,Electric plasma guided with ultrasonic fields.Sci. Adv.11,eadp0686(2025). DOI:10.1126/sciadv.adp0686
Длиннофокусная фотография электрической искры при переводе катушки Тесла внутрь ультразвукового кольца. (A) Вид сбоку во время перевода катушки в одно измерение. (B) Вид сверху во время сканирования катушки в двух измерениях с помощью ЧПУ. На правых половинах изображений наложены смоделированные амплитудные поля. Время перевода в одномерное измерение составляет 5 с, а время двумерного сканирования — 20 с. Масштабные линейки — 1 см. Цитирование: Josu Irisarri et al., Electric plasma guided with ultrasonic fields.Sci. Adv.11,eadp0686(2025). DOI:10.1126/sciadv.adp0686
Автор: Josu Irisarri et al. Источник: www.science.org

«Честно говоря, мы сами не ожидали, что ультразвук окажется настолько эффективным инструментом», — признаётся Нароа Ириарте (Naroa Iriarte).

Что дальше?

Конечно, предстоит ещё много работы. Например, пока что ультразвук «работает» только с переменным током, а для некоторых применений нужен постоянный. Но учёные уверены, что это лишь временные трудности.

Их открытие — это настоящий прорыв в области управления электричеством. И кто знает, какие ещё удивительные возможности откроются нам благодаря «укрощению молний» с помощью ультразвука?

0 комментариев

Добавить комментарий

Сейчас на главной

Новости

Публикации

Красный плюс на светофоре: что означает этот сигнал и как правильно действовать водителю

На сложных перекрёстках в ряде стран можно встретить светофор с дополнительной секцией, в которой горит красный символ в виде плюса. Этот сигнал вызывает вопросы даже у опытных водителей, привыкших...

Почему нельзя ждать, пока гейзерная кофеварка зашипит, и зачем макать ее в холодную воду: как сварить дома густой кофе без горечи

Характерное бурление и шипение, которые раздаются из гейзерной кофеварки в конце ее работы, большинство людей воспринимают как сигнал о том, что кофе готов. Однако замеры температуры и давления...

Инструкция по сборке Вселенной: почему для симуляции одного человека хватит энергии настольной лампы

В чилийской пустыне Атакама, на высоте двух с половиной тысяч метров, работают телескопы Паранальской обсерватории. Свет далеких галактик, который улавливают здешние зеркала, летит сквозь космос...

Что, если мы уже поймали сигналы инопланетян, но приняли их за пульсары? Вычислить их поможет алгоритм общения светлячков

Программы поиска внеземных цивилизаций (SETI) с момента своего появления в середине XX века опирались на представления о технологиях, которыми в тот момент обладало само человечество....

Почему компьютерные колонки трещали за секунду до звонка мобильного телефона

Телефон лежит на столе возле компьютера. В колонках неожиданно раздаётся знакомое «ты-ды-дыы, ты-ды-дыы». Через мгновение загорается экран и начинает играть мелодия вызова. Можно заранее потянуться...

Почему домашний йогурт готовится проще, чем кажется на самом деле

Если вы думаете, что приготовление домашнего йогурта — это сложно, дорого и требует каких-то особых кулинарных навыков, то спешу вас разубедить. На самом деле все гораздо проще. Вам не...