Könnte ein Flugzeug nur mit Druckluftstrahlen fliegen oder schweben?

"Ja aber nein".

Für einen Trichter mit kurzer Reichweite - um vor Ort von A nach B zu gelangen, wo Sie das Fahrzeug an einer Aufladestation parken, bevor Sie Ihren Tag beginnen - könnte komprimiertes Gas funktionieren. Wenn die Fahrten kurz genug sind. Wenn sie fliegen, werden sie SEHR kurze Reisen sein. [Das Herumstöbern bei Google kann auf leichte Autos/Motorräder stoßen, die mit Druckluft betrieben werden und eine Reichweite von einigen Kilometern haben.]

Es gibt jedoch eine Grenze, wie weit Sie eine solche Technologie treiben können, und Sie stoßen schnell auf mehrere Probleme.

Irgendwann stoßen Sie an eine Grenze für komprimiertes Gas und müssen zum Flüssigkeitsspeicher greifen, um mehr in einen Tank zu passen. Dank des idealen Gasgesetzes und der üblichen Phasenwechselphysik springt dies dann auf die Energie, die erforderlich ist, um es tatsächlich zu nutzen. Wenn Sie versuchen, die im komprimierten Gas gespeicherte physikalische Energie zu nutzen, benötigen Sie mehr Wärmeenergieaustausch, um das Gas zu halten erweitern.

Wenn Sie versuchen, Ihre Reichweite zu erweitern, werden Sie mit dem Problem der Kraftstofftyrannei konfrontiert: Um Kraftstoff/Energie zu transportieren, müssen Sie Kraftstoff/Energie verbrennen/verbrauchen, um sie an den Ort zu bringen, an dem Sie sie verwenden, um sich weiter zu bewegen.

Angenommen, Sie haben etwas, das X-Kraftstoff verwendet, um die Y-Distanz zu bewegen. Auf den ersten Blick ist es leicht anzunehmen, dass 2X Kraftstoff Ihnen 2Y Entfernung gibt, aber Sie müssen Kraftstoff verwenden, um den zusätzlichen Kraftstoff zu transportieren ... Sie fügen also mehr als 2X hinzu, müssen aber möglicherweise mehr Leistung / Schub hinzufügen, um sich tatsächlich zu bewegen so viel Kraftstoff, was wiederum bedeutet, dass Sie mehr Kraftstoff benötigen, um ihn bereitzustellen, und ... Nun, Sie können sehen, wie schnell das beginnt, wegzulaufen. [Wenn Sie das nicht sehen, spielen Sie Kerbal Space Program und fügen Sie weitere Booster hinzu]

Darüber hinaus gibt es bei Druckgas auch Sicherheitsprobleme. "Schwere" Gase können die normale Atmosphäre verdrängen und mit Erstickungsrisiken verbunden sein. Selbst normale Gase bergen das Risiko kritischer Ausfälle, die sie ab einer bestimmten Energiedichte riskanter machen können als herkömmliche Kraftstoffe. Vergleichen Sie die Risiken eines „kleinen Lecks“ in einem Tank mit Flugbenzin – es läuft mit der Zeit langsam aus. Selbst wenn es brennt, wird diese Energie im Laufe der Zeit stetig verteilt. Wenn Sie einen Druckgastank aufbrechen, dann wird er naturgemäß in sehr kurzer Zeit fast seine gesamte Energie verbrauchen wollen. [Und wird besonders interessant, wenn das komprimierte Gas reaktiv ist , da es sich selbst bei einem relativ kleinen Ausfall gewaltsam aus dem Speicher zwingen will.]

Kurz gesagt, nein, dies wäre kein praktisches Fahrzeug. Sicherlich würde es Ihnen keine tagelange Ausdauer verschaffen.

Ihr Fahrzeug ist im Grunde eine weniger effiziente (wenn auch sicherere) Rakete. Raketen nutzen die Verbrennung, um den Druck und die Temperatur ihrer Abgase zu erhöhen und sie auszustoßen, aber danach ist das Prinzip dasselbe: Material verlässt Ihr Fahrzeug in eine Richtung, Ihr Fahrzeug wird in die entgegengesetzte Richtung geschoben. Dies bedeutet jedoch, dass Sie auf das vielleicht größte Problem in der Raketentechnik stoßen. Ihr Schub muss nicht nur den Rahmen Ihres Fahrzeugs und seine Nutzlast transportieren, sondern auch den gesamten ungenutzten Kraftstoff (oder in diesem Fall nicht freigesetztes Druckgas).

Dies führt zur Tsiolkovsky-Raketengleichung , einer der berühmtesten Gleichungen der Raketenwissenschaft, die den Zusammenhang zwischen der Endgeschwindigkeit einer Rakete (= wie lange die Triebwerke brennen) und ihrem Massenanteil, bzw. wie viel der Rakete entspricht, beschreibt Kraftstoff vs. Struktur und Nutzlast. Je länger Sie brennen wollen, desto schneller steigt der Massenanteil des Treibstoffs, bis Sie schließlich keinen Platz mehr für eine nützliche Nutzlast oder sogar keinen Platz für Ihre Rakete haben.

Obwohl Sie Ihre Motoren in Ihrem Fall nicht kontinuierlich verwenden, um eine einzige Endgeschwindigkeit zu erzeugen, sind Sie immer noch damit belastet, wie lange Sie sie weiterhin verwenden müssen. (Dies gilt insbesondere für ein schwebendes Fahrzeug, bei dem Sie ständig gegen die Schwerkraft kämpfen. Bei einem Bodenfahrzeug, das nur beim Bewegen Kraftstoff verbraucht, wäre es weniger zutreffend, wenn auch immer noch spürbar.) Je länger Sie möchten, dass Ihr Fahrzeug fährt Um ohne Nachtanken reisen zu können, muss der größere Prozentsatz davon Kraftstoff sein, ohne Begrenzung.

Wie also entkommen terrestrische Fahrzeuge wie Autos und Flugzeuge dem? Ganz einfach: Sie nutzen die Atmosphäre. Autos saugen zur Verbrennung Sauerstoff aus der Luft an, wodurch ihr Kraftstoff erheblich gewichtseffizienter wird. Flugzeuge nutzen die Eigenschaften der Luft, um aerodynamischen Auftrieb zu erzeugen, wodurch ihr Schubbedarf reduziert wird.

Angesichts ihrer anderen technologischen Meisterleistungen könnten Ihre Leute ehrlich gesagt am besten dran sein, Verbrennungsmotoren zu verwenden und dann Verarbeitungsanlagen Kohlendioxid und andere Verbrennungsprodukte aus der Luft zurückgewinnen und sie wieder zu Kraftstoff verarbeiten zu lassen. Dies würde viel Energie erfordern, aber es würde den Energiebedarf von einer kleinen, ineffizienten mobilen Plattform auf eine große, effiziente stationäre Plattform verlagern. (In diesem Fall wird das Benzin oder was auch immer am besten als eine Art Batterie betrachtet.) Eine andere Option wäre, Batterien mitzuführen und elektrisch angetriebene Rotoren oder Kompressoren zu haben - im Grunde ein sehr großer Freizeit-Quadcopter.

Abgesehen davon ist es vielleicht nicht so sicher, dass viele Personenkraftwagen überall Xenon oder andere schwere Gase ausstoßen. Gas, das schwerer als Luft ist, neigt dazu, sich an niedrigen Stellen anzusammeln und Sauerstoff zu verdrängen, was Menschen leicht töten kann .

Wie andere ausführlich erklärt haben, ist Ihr begrenzender Faktor, wie viel Kraftstoff Sie transportieren können, da es eine Grenze dafür gibt, wie viel Sie ein Gas komprimieren können, bevor Sie auf Probleme stoßen. Ein unzerstörbarer Tank hilft nicht viel, da das Gas selbst zu einer Flüssigkeit kondensiert oder bei ausreichend hohem Druck andere seltsame Dinge tut. Die einzige Möglichkeit, dies auch nur annähernd praktikabel zu machen, besteht darin, Ihr Fahrzeug so sparsam wie möglich zu machen.

Wenn Sie mit dem Flugzeug reisen, verbrauchen Sie mehr Treibstoff für den Kampf gegen die Schwerkraft als für alles andere. Also kämpfe nicht dagegen an. Ein Luftschiff oder Aerostat könnte in der Luft bleiben, ohne Treibstoff zu verbrauchen, sodass Sie Ihren Bordtreibstoff dem Antrieb widmen können. Die Fahrt in Windrichtung könnte fast kostenlos sein, wenn auch nicht so schnell.

Damit ein solches Fahrzeug praktisch ist, müssten Sie die Luft, durch die Sie fliegen, als Treibstoff verwenden, anstatt einen begrenzten Vorrat davon in Tanks mit sich zu führen. Sie könnten Elektromotoren haben, die Luft ansaugen und durch eine schmale Düse am Heck des Fahrzeugs herausdrücken. Sie bewegen sich nicht mit extrem hohen Geschwindigkeiten, aber zumindest funktioniert es.

Was Sie erkennen müssen, ist, dass Energie ist$E = \frac{v^2\cdot m}{2}$während Impuls ist$p = v\cdot m$.

Jede Sekunde überträgt die Schwerkraft der Erde einen Impuls von$p = g\cdot m_o\cdot 1s$auf irgendein Massenobjekt$m_o$. Wenn dieses Objekt in Ruhe bleiben soll (ob es in der Luft schwebt oder auf dem Boden liegt, spielt keine Rolle, solange es sich nicht bewegt ...), muss es diesen Impuls ständig loswerden. Das Objekt auf dem Boden tut dies, indem es den Impuls auf den Boden überträgt, ein Objekt in der Luft muss den Impuls auf die Luft übertragen.

Beachten Sie, dass Energie im letzten Absatz überhaupt nicht erwähnt wurde . Die wichtige Figur ist nur der Impuls .

Sehen Sie sich nun die beiden Gleichungen für an$E$Und$p$. Die Energie ist tatsächlich$E = \frac{v^2\cdot m}{2} = \frac{vp}{2} = \frac{p^2}{2m}$. Dh wenn Sie eine unendliche Masse verwenden, brauchen Sie überhaupt keine Energie (das ist das Objekt am Boden, das effektiv die gesamte Erde verwendet, um den Impuls loszuwerden). Je weniger Masse Sie verwenden, desto mehr Energie benötigen Sie .

Wenn Sie nur Ihre gespeicherte Luft verwenden, befinden Sie sich im denkbar schlechtesten Regime: Sie verschwenden Gigajoule Energie umsonst. Wenn Sie nur die Luftmenge verdoppeln, die Sie beschleunigen, indem Sie eine einfache, einstufige Turbine mit Ihrem komprimierten Gas antreiben, haben Sie die Lebensdauer Ihres Kraftstoffs bereits verdoppelt ! Je mehr Außenluft Sie beschleunigen, desto länger reicht Ihr Kraftstoff.

Also, egal wie dicht Ihr Druckluft-Energiespeicher ist, Ihre Fahrzeuge werden immer Luft von oben ansaugen und nach unten blasen, einfach weil der Kraftstoff so viel länger reicht. Grundsätzlich kann man davon ausgehen, dass jedes schwebende Luftfahrzeug immer möglichst viel seiner Oberfläche zum Ansaugen von Luft nutzt. Denn nur die Hälfte der Fläche zu nutzen, bedeutet nur die halbe Lebensdauer Ihres Kraftstoffvorrats.

Dies ist übrigens auch der Grund, warum Helikopter im Schwebeflug mehr Treibstoff benötigen als im mäßigen Flug : Der schwebende Helikopter kann nur direkt mit der Luft um und über ihm interagieren, die durch seinen Schwebeflug bereits beschleunigt wurde. Der fliegende Hubschrauber interagiert ständig mit frischer Luft in Ruhe und verteilt so seinen Impuls an mehr Luft. Mehr Luft beschleunigt$\Rightarrow$Luft auf niedrigere Geschwindigkeiten beschleunigt$\Rightarrow$weniger Energie verbraucht.

Flugzeuge treiben dies auf die Spitze: Sie maximieren die Luftmenge, mit der sie pro Sekunde interagieren, indem sie mit 800 km/h fliegen, und minimieren so die resultierende Abwärtsgeschwindigkeit der zurückgelassenen Luft. Der brennende Kraftstoff im Motor dreht nur eine Turbine, die mit Schaufeln so viel Luft wie möglich nach hinten beschleunigt, was wiederum die Luftfolie bewegt, um so viel Luft wie möglich nach unten zu beschleunigen, um so effizient wie möglich zu sein. Diese doppelte Umleitung macht die heutigen Flugzeuge so effizient wie sie sind und es ihnen ermöglichen, ohne Zwischenstopp um die halbe Erde zu fliegen.

Ich gehe davon aus, dass jemand darauf hinweisen wird, dass dies massive Skalierungsprobleme hat, aber hey, Sie haben nahezu unendliche Energie, also tauschen wir die Dinge aus: Anstatt ein paar Düsen über die Oberfläche laufen zu lassen, die versuchen, Druckluft zu verwenden, wandeln wir die Oberfläche um im Grunde einen riesigen Airhockeytisch und machen die Transporte mit Sonnensegeln relativ leicht. Die Transporter haben vernetzte Computer, die mit dem Transportsystem verbunden sind, um anzuzeigen, wohin sie wollen, und dann gibt es eine Reihe von "Lasern" auf der Oberfläche und an verstreuten Punkten, um den erforderlichen horizontalen Schub bereitzustellen (ähnlich wie die vorgeschlagenen Sonnensegel für die Reise im Sonnensystem)

Der Umgang mit unbeabsichtigten Folgen der Großartigkeit dieses Aufbaus bleibt dem Leser als Übung überlassen.