Forskare har utvecklat ett vatten-cloaking-koncept baserat på elektromagnetiska krafter som kan eliminera ett objekts kölvatten, avsevärt minskar dess motstånd samtidigt som det hjälper den att undvika upptäckt.

Idén uppstod vid Duke University 2011 när forskare beskrev det allmänna konceptet. Genom att matcha accelerationen av det omgivande vattnet till ett föremåls rörelse, det skulle teoretiskt sett vara möjligt att kraftigt öka dess framdrivningseffektivitet samtidigt som det omgivande havet lämnas ostört. Teorin var en förlängning av gruppens banbrytande arbete inom metamaterial, där ett material struktur, snarare än dess kemi, skapar önskade egenskaper.

Sex år senare, Yaroslav Urzhumov, adjungerad biträdande professor i el- och datateknik vid Duke, har uppdaterat teorin genom att beskriva ett potentiellt tillvägagångssätt. Men istället för att använda ett komplext system av mycket små pumpar som ursprungligen spekulerades, Urzhumov vänder sig till elektromagnetiska fält och den täta koncentrationen av laddade partiklar som finns i saltvatten.

Studien visas online i tidskriften Fysisk granskning E den 7 december, 2017.

"Den ursprungliga idén var så stor att den lockade kollegor vid Naval Undersea Warfare Center att hjälpa oss att driva den, även om de var otroligt skeptiska, sade Urzhumov, som var bland forskarna som arbetade med den ursprungliga uppsatsen från 2011. "Sedan dess, vi har identifierat en väg för att förverkliga detta till synes omöjliga förslag."

Kärnan i frågan som tas upp är att vatten är en relativt trögflytande vätska som, när man flyttar, gillar att dra med sig sin omgivning för åkturen genom skjuvkrafter. En fisk känns mycket tyngre när den dras genom vattnet än att den lyfts genom friluft på grund av allt vatten som släpas med den.

Förutom att dra extra vatten, motståndet kan också ökas av hur vatten rinner runt ett föremål. Ett hydrodynamiskt föremål med vätska som flyter jämnt längs dess yta skapar mycket mindre motstånd än ett blockigt föremål som skapar en röra av kaotiskt, turbulenta flöden i dess spår.

Lösningen på dessa problem är att flytta vattnet ur vägen. Genom att accelerera vattnet runt föremålet för att matcha dess hastighet, både skjuvkrafter och turbulenta flöden kan undvikas.

"Det finns många sätt att minska väckning och motstånd, som att omge ett föremål med lågfriktionsbubblor, vilket faktiskt görs med några marina torpeder, ", sa Urzhumov. "Men det finns bara så mycket du kan göra om du bara applicerar krafter på ytan. Denna cloaking-idé öppnar en ny dimension för att skapa krafter runt ett undervattensfartyg eller föremål, vilket är absolut nödvändigt för att uppnå full väckningsavstängning."

Urzhumov föreställde sig ursprungligen en sorts fackverksliknande ram som omsluter ett föremål med tunna strukturer och små pumpar för att påskynda dess flöde när det passerade. Men allt eftersom tiden gick, han bestämde sig för att ett mer praktiskt tillvägagångssätt skulle vara att använda "magnetohydrodynamiska" krafter.

När en laddad partikel färdas genom ett elektromagnetiskt fält, fältet skapar en kraft på partikeln. Eftersom havsvatten är fullt av joner som natrium, kalium och magnesium, det finns många laddade partiklar att trycka på. Idén är inte så galen som den kan låta - Japan byggde en prototyp av passagerarfartyg 1991 som heter Yamato 1 och använde dessa krafter som ett framdrivningsmedel, men fann att tillvägagångssättet inte var mer effektivt än traditionella propellrar.

I den nya tidningen, Urzhumov och hans doktorand, Dean Culver, använd vätskedynamiksimuleringar för att visa hur en vattenmantel kan uppnås med detta tillvägagångssätt. Genom att kontrollera hastigheten och riktningen för vattnet som omger ett rörligt föremål, simuleringarna visar att ett sådant system kan matcha vattnets rörelse inom kappan med det omgivande havet.

Detta skulle få det att se ut som om vattnet inuti manteln är helt stillastående i förhållande till vattnet utanför manteln, eliminerar drag och wake. Självklart, praktiska implementeringar är inte perfekta, så en del drag and wake skulle finnas kvar i varje realisering av enheten.

Medan simuleringarna använde ett cloaking-skal halva bredden på själva objektet, beräkningarna visar att skalet teoretiskt sett kan vara så tunt som du ville att det skulle vara. Ett annat viktigt resultat var att krafterna inuti skalet inte skulle behöva ändra riktning när föremålet accelererade, de skulle bara behöva mer kraft.

"Det är en av de största framgångarna med denna tidning, " sa Urzhumov. "Om du inte behöver justera fördelningen av krafter, du behöver inga elektroniska omkopplare eller andra metoder för dynamisk styrning. Du kan ställa in strukturen med en specifik konfiguration och helt enkelt skruva upp strömmen när objektet snabbar upp."

Urzhumov säger att för ett verkligt fartyg eller ubåt att någonsin använda en sådan anordning, det skulle behövas en kärnreaktor för att driva den, med tanke på det enorma energibehovet för att täcka ett föremål av den storleken. Det betyder inte, dock, att ett mindre dieselfartyg inte kunde driva en mindre cloaking-anordning för att skydda potentiellt sårbara utsprång från upptäckt.

Urzhumov säger också att hans teorier och beräkningar har många potentiella tillämpningar utanför havet. Liknande konstruktioner skulle kunna användas för att skapa ett distribuerat jonframdrivningssystem för rymdfarkoster eller för att undertrycka plasmainstabiliteter i prototyper för termonukleära fusionsreaktorer.

"Jag tror att dessa idéer kommer att blomstra inom flera av dessa områden, " sade Urzhumov. "Det är en mycket spännande tid."