Resumo:
Pesquisadores da Universidade do Colorado em Boulder propuseram um novo método que utiliza pequenas vibrações dentro dos materiais para regular o fluxo de ar. No futuro, espera-se reduzir a turbulência e o arrasto sem alterar a forma da aeronave, melhorando assim a eficiência do combustível.
As aeronaves de passageiros podem navegar a velocidades de aproximadamente 640 milhas por hora. O ar próximo à superfície da asa cria uma camada limite turbulenta, que aumenta a resistência ao voo, reduz a eficiência do voo e resulta em maior consumo de combustível. Uma aeronave comercial pode consumir mais de 10.000 galões de combustível num voo cross-country, portanto, mesmo um pequeno aumento na eficiência poderia resultar em economias de custos significativas para as companhias aéreas.
Mahmood I. Hussain, professor do Departamento de Ciências de Engenharia Aeroespacial da Universidade do Colorado Boulder, e a sua equipa estão a explorar outro caminho: em vez de apenas remodelar os contornos exteriores da aeronave para controlar o arrasto, podem colocar materiais sintéticos projetados abaixo da superfície e usar vibrações microscópicas geradas pelos materiais para afetar o fluxo de ar, reduzindo assim a turbulência e melhorando a economia de combustível.
A equipe de Hussain publicou recentemente artigos na "Physical Review
Hussein disse que desde o nascimento da indústria da aviação, a ideia dominante de controlar o arrasto tem sido mudar o formato da aeronave. Agora, os pesquisadores propuseram um novo conceito: usar materiais que interagem dinamicamente com o fluxo de ar para afetar o arrasto da superfície, melhorando o desempenho da aeronave de uma forma sem precedentes. Além de sua nomeação no Departamento de Ciências da Engenharia Aeroespacial, Hussein ocupa uma posição simultânea no Departamento de Física e é afiliado ao programa de Ciência e Engenharia de Materiais.
O núcleo desta pesquisa são os "fônons". Os fônons não são movimentos macroscópicos de toda a estrutura, mas vibrações extremamente pequenas que ocorrem dentro do material. Embora esses movimentos sejam de pequena magnitude, se puderem ser controlados, poderão alterar a forma como a superfície do material interage com o fluxo de ar.
A pesquisa em torno dessas vibrações internas é chamada de fonônica. Hussain está envolvido na promoção do desenvolvimento desta área há mais de duas décadas e ajudou a fundar a série de conferências "Phononics 20xx" em 2011, que se tornou agora uma importante plataforma de intercâmbio internacional para investigadores nesta área.
Em 2015, Hussein propôs o conceito de "subsuperfície de fônons", que consiste em organizar estruturas especialmente projetadas sob a superfície dos materiais para que possam controlar passivamente as vibrações na interface entre a superfície e o fluido. No passado, os projetos desenvolvidos por sua equipe e por outros pesquisadores muitas vezes funcionavam apenas em uma única frequência.
Pesquisas mais recentes mostram que projetar a subsuperfície do fônon em uma estrutura enrolada pode estender seu efeito a uma faixa de frequências. Este fenômeno, conhecido como “superressonância”, resolve uma limitação importante dos projetos anteriores: permite que a estrutura interaja com uma gama mais ampla de componentes de frequência encontrados em turbulência real.
Hussain disse que a equipe inicialmente poderia lidar com apenas uma frequência, mas depois quis cobrir uma faixa mais ampla de frequências, porque é assim que a turbulência no mundo real é gerada nesta forma de banda larga. Hoje, esse objetivo foi alcançado. A estrutura do fônon enrolado rompe as limitações de longa data das estratégias de controle de fluxo laminar.
A "interferência sem dispersão" resolve outro problema. Em vez de apenas colocar um fônon na subsuperfície em um único local, os pesquisadores podem organizar múltiplas estruturas em uma grade ou treliça, estendendo sua influência a jusante do fluxo de ar sobre uma área maior, como uma asa de aeronave ou a superfície da fuselagem de um veículo hipersônico.
Hussein disse que esta abordagem permite um controle eficaz a jusante. O controle downstream e o controle de banda larga têm sido duas das principais limitações da tecnologia desde sua introdução, há mais de uma década, e a equipe já resolveu esses dois problemas.
Os dois avanços se complementam, observou Adam Harris, estudante de doutorado em ciência e engenharia de materiais no laboratório de Hussein e coautor de ambos os artigos. A interferência livre de dispersão fornece uma maneira de atenuar o comportamento espacial de campos de fluxo instáveis a jusante da subsuperfície do fônon; a superressonância amplia a faixa de frequência sobre a qual o controle pode ser eficaz. A combinação dos dois aproxima o conceito original de subsuperfície de fônons da flexibilidade necessária em ambientes de fluxo real.
Atualmente, esses resultados vêm principalmente de estudos computacionais, mas as subsuperfícies de fônons não estão mais completamente no estágio teórico. Equipes de pesquisa em todo o mundo criaram protótipos físicos funcionais e estão avançando para testes em túnel de vento.
Hussein disse que a equipe espera romper com o pensamento tradicional de que "o controle de fluxo só pode contar com a mudança da forma da superfície exposta ou, nos últimos anos, com base em atuadores ativos". Usando subsuperfícies de fônons, uma asa ou fuselagem mantém sua forma original, planicidade e propriedades passivas, enquanto o material abaixo é projetado para interagir com o fluxo de ar de maneira altamente direcionada.
Embora a pesquisa atual seja voltada principalmente para o campo aeroespacial, os usos potenciais da superressonância e da interferência livre de dispersão não se limitam às aeronaves. Hussein acredita que navios, oleodutos, máquinas de turbinas e qualquer sistema afectado pela turbulência poderiam beneficiar; na verdade, ambas as ideias podem até ter aplicações além do controle de fluxo.
Pesquisas relevantes também envolvem questões de fluxo hipersônico e são apoiadas por um programa de pesquisa universitária multidisciplinar de cinco anos, no valor de US$ 7,5 milhões, do Escritório de Pesquisa Naval do Departamento de Defesa dos EUA.
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