Печатный алюминиевый сплав устанавливает рекорды прочности, может облегчить детали самолётов
Токамаки — это машины, которые должны удерживать и использовать энергию, подобную солнечной. В этих термоядерных установках используются мощные магниты для удержания плазмы, более горячей, чем ядро Солнца, и для сжатия атомов плазмы, чтобы они слились и высвободили энергию. Если токамаки будут работать безопасно и эффективно, эти машины однажды смогут обеспечить чистую и безграничную энергию термоядерного синтеза.
Сегодня в мире работает несколько экспериментальных токамаков, и ещё больше находится в разработке. Большинство из них — это небольшие исследовательские машины, созданные для изучения того, как устройства могут раскручивать плазму и использовать её энергию.
Одна из проблем, с которыми сталкиваются токамаки, — это безопасное и надёжное отключение плазменного тока, циркулирующего со скоростью до 100 километров в секунду при температуре свыше 100 миллионов градусов Цельсия. Такие «замедления» необходимы, когда плазма становится нестабильной. Чтобы предотвратить дальнейшее разрушение плазмы и потенциальное повреждение внутренних частей устройства, операторы уменьшают ток плазмы. Но иногда само замедление может дестабилизировать плазму.
Учёные из MIT разработали метод прогнозирования поведения плазмы в токамаке во время замедления
Команда объединила инструменты машинного обучения с физической моделью динамики плазмы, чтобы имитировать поведение плазмы и любые нестабильности, которые могут возникнуть при замедлении и отключении плазмы. Исследователи обучили и протестировали новую модель на данных о плазме из экспериментального токамака в Швейцарии. Они обнаружили, что метод быстро научился предсказывать, как будет развиваться плазма при различных способах её настройки.
Более того, метод достиг высокого уровня точности, используя относительно небольшой объём данных. Эта эффективность обучения многообещающа, учитывая, что каждый экспериментальный запуск токамака дорог, а качественные данные в результате ограничены.
Новая модель, которую команда представляет на этой неделе в статье в открытом доступе в журнале Nature Communications, может повысить безопасность и надёжность будущих термоядерных электростанций.
«Чтобы термоядерный синтез стал полезным источником энергии, он должен быть надёжным», — говорит ведущий автор Аллен Ванг, аспирант в области аэронавтики и астронавтики и член группы Disruption Group в Центре плазменных наук и термоядерных исследований (PSFC) Массачусетского технологического института (MIT). «Чтобы быть надёжным, нам нужно научиться управлять нашими плазмами».
Печатный алюминиевый сплав устанавливает рекорды прочности
MIT инженеры разработали печатный алюминиевый сплав, который может выдерживать высокие температуры и в пять раз прочнее, чем традиционно изготовленный алюминий.
Новый печатный металл изготовлен из смеси алюминия и других элементов, которые команда определила с помощью комбинации моделирования и машинного обучения, что значительно сократило количество возможных комбинаций материалов для поиска.
Исследователи предполагают, что из нового печатного алюминия можно изготавливать более прочные, лёгкие и термостойкие изделия, такие как лопасти вентиляторов в реактивных двигателях. Лопасти вентиляторов традиционно изготавливаются из титана — материала, который более чем на 50 процентов тяжелее и стоит до 10 раз дороже, чем алюминий, — или из современных композитов.
«Если мы сможем использовать более лёгкий и прочный материал, это сэкономит значительное количество энергии для транспортной отрасли», — говорит Мохадесе Тахери-Мусави, которая возглавляла работу в качестве постдока в MIT, а теперь является доцентом в Университете Карнеги-Меллона.
«Поскольку 3D-печать может создавать сложные геометрические формы, экономить материал и обеспечивать уникальные конструкции, мы рассматриваем этот печатный сплав как нечто, что также можно использовать в усовершенствованных вакуумных насосах, автомобилях высокого класса и устройствах охлаждения для центров обработки данных», — добавляет Джон Харт, профессор класса 1922 года и заведующий кафедрой машиностроения в MIT.
Харт и Тахери-Мусави подробно описывают новый печатный алюминиевый сплав в статье, опубликованной в журнале Advanced Materials.
1. Какие проблемы существуют при работе с плазмой в токамаках и как учёные из MIT предложили их решать?
Учёные из MIT разработали метод прогнозирования поведения плазмы в токамаке во время замедления. Они объединили инструменты машинного обучения с физической моделью динамики плазмы, чтобы имитировать поведение плазмы и любые нестабильности, которые могут возникнуть при замедлении и отключении плазмы.
2. Какие преимущества имеет новый печатный алюминиевый сплав по сравнению с традиционными материалами?
Новый печатный алюминиевый сплав может выдерживать высокие температуры и в пять раз прочнее, чем традиционно изготовленный алюминий. Это позволяет изготавливать более прочные, лёгкие и термостойкие изделия, такие как лопасти вентиляторов в реактивных двигателях.
3. Какие перспективы открывает использование печатного алюминиевого сплава в различных отраслях?
Использование печатного алюминиевого сплава может сэкономить значительное количество энергии для транспортной отрасли. Кроме того, благодаря способности 3D-печати создавать сложные геометрические формы, экономить материал и обеспечивать уникальные конструкции, печатный сплав можно использовать в усовершенствованных вакуумных насосах, автомобилях высокого класса и устройствах охлаждения для центров обработки данных.
4. Какие методы использовали исследователи для создания нового печатного алюминиевого сплава?
Исследователи использовали комбинацию моделирования и машинного обучения для определения состава нового печатного алюминиевого сплава. Это значительно сократило количество возможных комбинаций материалов для поиска.
5. Где опубликована статья об исследовании печатного алюминиевого сплава?
Статья об исследовании печатного алюминиевого сплава опубликована в журнале Advanced Materials.