Een klep die een eeuw geleden door ingenieur Nikola Tesla is uitgevonden, is niet alleen functioneler dan eerder werd gerealiseerd, maar heeft tegenwoordig ook andere potentiële toepassingen, ontdekte een team van onderzoekers na het uitvoeren van een reeks experimenten met replicaties van het ontwerp uit het begin van de 20e eeuw.
Zijn bevindingen, gerapporteerd in het tijdschrift Nature Communications, suggereren dat Tesla’s apparaat, dat hij een ‘valvulaire leiding’ noemde, de trillingen in motoren en andere machines zou kunnen gebruiken om brandstof, koelvloeistoffen, smeermiddelen en andere gassen en vloeistoffen te pompen.
Nu bekend als de Tesla-klep, heeft het gepatenteerde apparaat strategieën geïnspireerd om stromen binnen stroomnetwerken en -circuits te leiden.
“Het is opmerkelijk dat deze 100 jaar oude uitvinding nog steeds niet volledig wordt begrepen en nuttig kan zijn in moderne technologieën op manieren die nog niet zijn overwogen”, legt Leif Ristroph uit, universitair hoofddocent aan het Courant Institute of Mathematical Sciences van de New York University en senior schrijver. “Hoewel Tesla bekend staat als een tovenaar van elektrische stromen en elektrische circuits, was zijn minder bekende werk om stromen of vloeistofstromen te beheersen echt zijn tijd ver vooruit.”
De Tesla-klep – een reeks onderling verbonden druppelvormige lussen – is ontworpen om vloeistofstromen in slechts één richting en zonder bewegende delen te laten stromen. Het apparaat biedt een duidelijk pad voor voorwaartse stromen, maar de route is langzamer voor omgekeerde stromen – maar dit laatste nadeel wijst in feite op een mogelijk, niet-gerealiseerd voordeel in omstandigheden waarin stromen moeten worden gecontroleerd in plaats van ontketend.
Om de functionaliteit van de klep te begrijpen, voerden Ristroph en zijn co-auteurs, Quynh Nguyen, een NYU-student natuurkunde, en Joanna Abouezzi, een NYU-student ten tijde van het onderzoek, een reeks experimenten uit in het Applied Mathematics Lab van NYU. Hier repliceerden ze het ontwerp van de Tesla-klep en onderwierpen ze het aan tests die de weerstand tegen stroming in de twee richtingen maten.
Over het algemeen ontdekten ze dat het apparaat een beetje reageert als een schakelaar. Bij lage stroomsnelheden is er geen verschil in weerstand voor voorwaartse en achterwaartse stromen, maar boven een bepaalde stroomsnelheid “schakelt” het apparaat abrupt “aan” en controleert of verzet zich aanzienlijk tegen omgekeerde stromen.
“Cruciaal is dat deze omschakeling gepaard gaat met het genereren van turbulente stromingen in de omgekeerde richting, die de buis ‘verstoppen’ met wervelingen en verstorende stromingen ”, legt Ristroph uit. “Bovendien verschijnt de turbulentie bij veel lagere stroomsnelheden dan ooit eerder is waargenomen voor pijpen met meer standaardvormen – tot 20 keer lagere snelheid dan conventionele turbulentie in een cilindrische pijp of buis. Dit toont het vermogen aan dat het heeft om stromingen te regelen, die in veel toepassingen kunnen worden gebruikt. “
Een afbeelding van het werk is beschikbaar op Google Drive.
Bovendien ontdekten ze dat de klep zelfs nog beter werkt als de stroom niet stabiel is – als het gaat om pulsen of oscillaties, die het apparaat vervolgens omzet in een soepele en gerichte uitvoerstroom. Deze pompende actie bootst de AC-DC-converters na die wisselstroom omzetten in gelijkstroom.
“We denken dat dit is wat Tesla in gedachten had met het apparaat, aangezien hij nadacht over analoge bewerkingen met elektrische stromen”, merkt Ristroph op. “Hij is in feite het meest bekend vanwege het uitvinden van de AC-motor en een AC-DC-omzetter.”
Gezien het vermogen van de klep om stromingen te regelen en turbulentie te genereren bij lage snelheden, ziet Ristroph tegenwoordig mogelijkheden voor Tesla’s uitvinding uit het begin van de 20e eeuw.
“Tesla’s apparaat is een alternatief voor de conventionele terugslagklep, waarvan de bewegende onderdelen na verloop van tijd verslijten”, legt Ristroph uit. “En nu weten we dat het zeer effectief is bij het mengen, en het zou kunnen worden gebruikt om de trillingen in motoren en machines te benutten om brandstof, koelvloeistof, smeermiddelen of andere gassen en vloeistoffen te pompen.”
Nature Communications (2021). DOI: 10.1038 / s41467-021-23009-y
Nature Communications
Geleverd door New York University