Magnetoreologie – jak se dá voda „zmrazit” pomocí magnetu

Jak ale tato změna funguje?

Kapalina je jednou provždy kapalinou, dokud ji neochladíme na teplotu, při níž se promění v pevnou látku. Neexistuje tu přece žádná souvislost s použitím magnetu. Jenže magnetoreologické tekutiny nejsou obyčejné kapaliny a jejich tuhnutí nijak nesouvisí se změnou teploty. Představují směs malých magnetických částic (obvykle o velikosti jednotek mikrometrů) rozptýlených v tekutině, kterou může být například olej. V této kapalině rozpuštěné magnetické částice jsou velmi citlivé na magnetické pole a pod jeho vlivem se mohou lehce uspořádat do souvislých řad, které tvoří jakési mosty napříč tekoucím proudem (obr. 1). Tyto mosty jsou natolik pevné, že začnou bránit kapalině v proudění. Ve výsledku zastaví tok do té míry, že se původní kapalina nebude nijak zásadně lišit od pevné látky. Stojí na místě bez hnutí. Ve chvíli, kdy se vypne magnetické pole, však náš materiál začne opět téct. Taková proměna vlastností může nastat téměř okamžitě po vypnutí magnetického pole, a díky tomu tento proces může probíhat opakovaně v extrémně krátkých časech na úrovni zlomků milisekund. Tedy v čase, který je více než milionkrát kratší než jedna vyučovací hodina ve škole. 

Obr. 1: Princip „zamrznutí” magnetoreologické kapaliny v magnetickém poli 

Tuto pozoruhodnou vlastnost dnes již inženýři využívají v praxi. V automobilovém průmyslu nalézá využití například v tlumičích. Jejich konstrukce je velmi podobná jiným typům tlumičů. Do dutiny tlumiče se dvěma písty je umístěna magnetoreologická kapalina. Jeden píst je pevnou částí vozidla, zatímco druhý je spojen s pohybující se částí (např. nápravou). Když se vozidlo pohybuje po nerovnostech na silnici, pohybuje se i pohyblivý píst, který tlačí na kapalinu mezi oběma písty. Ve chvíli, kdy je kapalina v tlumiči stlačena, začnou magnetoreologické částice, procházející skrz magnetizovaný kanálek v pístu, vytvářet vlákna podél směru magnetického pole, díky čemuž kapalina tuhne a snižuje následné kmitání a otřesy přenášené do vozidla během jízdy. Výhodou použití magnetoreologických tlumičů je možnost velmi dobře přizpůsobit úroveň tlumení nárazu aktuálním podmínkám a rychlosti jízdy vozidla. Tento princip tak může být využit například u sportovních vozidel nebo u vozidel s vyšší hmotností, kde je potřeba tlumit nárazy extrémně účinně. Konkrétně je možné setkat se s tímto typem tlumičů u luxusnějších značek aut, jako jsou Ferrari (např. model 599 GTB Fiorano), Lamborghini (např. model Huracán), Audi (např. model RS7) a Chevrolet (např. model Corvette C7 Stingray).  

V budoucnosti bychom se mohli dočkat využití i v brzdových systémech, díky čemuž by bylo možné se bezpečněji přepravovat. Velký potenciál má využití těchto brzd v těžších dopravních prostředcích, jako jsou například vlaky, trolejbusy, tramvaje, kde je také potřeba spolehlivé a účinné brždění. Současná představa fungující magnetoreologické brzdy (obr. 2) se nijak zásadně neliší od konstrukce již používaných typů brzd. Skládá se z rotoru a statoru. V rotoru je umístěna magnetoreologická kapalina, kterou ovlivňuje magnetické pole vytvářené cívkami uvnitř statoru. Když se proud v cívce a tím i generované magnetické pole zvětšuje, magnetoreologická kapalina se stává tužší a brzdí rotor. Naopak pokud se magnetické pole sníží, kapalina se stává tekutější a brzdný efekt se snižuje.  

Obr. 2: Návrh schématu magnetoreologické brzdy 

Pravda je, že využití tohoto typu kapalin v brzdových systémech je v současnosti mnohem dál od uskutečnění než v případě tlumičů. Je to způsobeno několika problémy, které se v současných systémech vyskytují. Jedním z nich je samovolné usazování těžkých magnetických částic v kapalinách v průběhu času, kdy se brzdy nepoužívají. Usazené částice mění chování suspenze jako celku, což může mít za následek odlišný účinek brzd. Jedním z řešení, která mohou sedimentaci částic v kapalině zabránit, je přidání o několik řádů menších magnetických částic (nanočástic) do původní suspenze. Ty nejenže mohou zlepšit její stabilitu, ale zejména mohou posílit samotný brzdný účinek kapaliny. Ten se zvyšuje díky tomu, že nanočástice vyplňují skuliny mezi mikročásticemi (obr. 3), a tím se řady částic stávají tužšími, a tudíž odolnějšími vůči toku kapaliny. 

Obr. 3: Ztuhnutí magnetoreologické kapaliny s přidanými nanočásticemi 

Opustíme-li automobilový průmysl, kde může mít magnetoreologie v blízké budoucnosti nezaměnitelné místo, můžeme se začít soustředit i na jiné oblasti, kde již svůj potenciál dokázala plně využít. Napadlo by vás třeba, že magnetoreologie může pomoci i při stavbě bezpečných budov? Ano, je to tak. Využívá se při výrobě protizemětřesných stavebních prvků, které dokáží tlumit otřesy uvnitř budov. Tlumiče jsou při stavbě instalovány do stavby a během nebezpečných otřesů slouží k absorpci energie uvolněné během zemětřesení. Zlepšují tak odolnost stavebních konstrukcí a snižují riziko pádu budov. 

Magnetoreologie je fascinující oblast, která nám umožňuje ovládat pomocí magnetického pole chování jiných látek, zejména kapalin, ve snaze využívat je v mnoha oblastech lidské činnosti. Tak až příště uvidíte magnet, vzpomeňte si na to, že magnetické pole může být mnohem více než jen kousek železa. 

Poznámka autora: Schéma magnetoreologické brzdy (obr. 2) bylo vytvořeno produktovým designerem Janem Kroulíkem, momentálně působícím na Univerzitě Tomáše Bati ve Zlíně. 

Autor: Ondřej Havelka, TUL