Tyto podivně tvarované vrtule mohou představovat revoluční pokrok v leteckém a námořním sektoru. Jsou radikálně tišší než tradiční vrtule jak ve vzduchu, tak ve vodě, a také vykazují obrovské zvýšení účinnosti.
Vrtule jsou navrženy tak, aby nabíraly vzduch nebo vodu a pomocí rotačního pohybu je protlačily na druhou stranu. V jistém smyslu představují evoluci Archimédova šroubu, který byl patrně používán už ve starověkém Egyptě tisíce let předtím, než jej Archimédes v roce 234 př. n. l. popsal. U zařízení navržených tak, aby se otáčela, se však po velmi dlouhou dobu událo jen málo z hlediska revolučních designových změn. Letadla poháněná vrtulemi stále používají vrtule se zkroucenými lopatkami podobné konstrukce jako u bambusových „helikoptér“, se kterými si čínské děti hrály před 2400 lety, s překvapivě malým nárůstem efektivity oproti dřevěným vrtulím, které bratři Wrightové vyvinuli v aerodynamických tunelech v roce 1903. Lodě stále používají šroubové vrtule, jejichž varianty lze nalézt již v roce 1700. Je proto fascinující, když najdeme několik skupin, které tvrdí, že prokázaly významné výhody ve vzduchu i ve vodě s použitím výrazně odlišného tvaru – konkrétně zvláštního tvaru prstence, zkrouceného toroidu, který se zdá být nejen mnohem, mnohem tišší než tradiční konstrukce, ale také mnohem efektivnější, zejména v námořním prostoru, takže by mohl znamenat obrovský skok vpřed.
Potenciální změna ve vzduchu
Jedním z klíčových problémů vrtulí pro multikoptéry je jejich nepříjemný hluk, který je často popisován jako „kvílení“, protože většina z nich se nachází ve stejném frekvenčním rozsahu jako pláč dítěte. Přitom lidé bývají nejcitlivější na zvuky mezi 100 Hz a 5 kHz – to dává evoluční smysl: je to místo, kde slyšíme samohlásky klíčové pro verbální komunikaci. Je to však klíčový problém, pokud mají multikoptéry naplnit svůj potenciál a oblohu rychlými, levnými a čistými leteckými doručovacími službami. Obyvatelé a zákonodárci nechtějí do městského života přidávat další nepříjemné zvuky. Tým pracující na tichém letadle s iontovým pohonem v Lincolnově laboratoři Massachusettského technologického institutu (MIT) přemýšlel o tom, zda lze hluk vrtulí u multirotorů zmírnit jinak tvarovanými vrtulemi.
„Jak víme, vrtule jsou dost hlučné,“ říká dr. Thomas Sebastian, vedoucí pracovník v Lincoln Lab. „A můžeme se podívat na lopatky, abychom viděli, jak to funguje. Když lidé na počátku 20. století a během II. světové války přicházeli s nejrůznějšími bláznivými nápady týkajícími se létajících prostředků, existovalo také několik návrhů, které byly v podstatě těmito prstencovými lopatkami. Tak mě napadlo, jak by to vypadalo, kdybyste vzali prstencovou lopatku z něčeho takového udělali vrtuli…. Přišli jsme s tímto počátečním konceptem použití toroidního tvaru, prstencového tvaru lopatky a doufali, že vytvoříme tišší vrtuli. Měl jsem stážistu s tímto nápadem, který byl naprosto fenomenální. Vzal koncept a vytvořil spoustu iterací pomocí 3D tiskáren.“
Během několika pokusů tým skutečně našel návrh, který snížil nejen celkovou hladinu hluku při dané úrovni tahu, ale zejména hluk v rozsahu 1-5 kHz. Opravdu, znějí spíše jako proudící vzduch než jako vrtule a vydávají mnohem méně rušivý zvuk. Podle týmu dron používající tyto vrtule vydává úroveň zvuku zhruba stejně takovou jako běžný dron asi 2x tak daleko.
„Klíčová je skutečnost, že nyní jsou rozděleny víry, které vrtule generuje, po celém jejím tvaru, ne pouze na špičce,“ říká Sebastian. „Takže se pak rychleji rozptyluje v atmosféře. Vír se nešíří tak daleko, takže je méně pravděpodobné, že ho uslyšíte.“
Hluk vrtule lze do jisté míry vyřešit umístěním prstenců akustické úpravy po obvodu dráhy vrtule, které mohou z bezpečnostního hlediska také fungovat jako chrániče vrtule. Ty však přidávají tzv. parazitní hmotu, snižují životnost baterie a mohou navíc zachytit vítr ve venkovních situacích, takže dron musí více pracovat, aby zůstal stabilní. Tým analyzoval podivně vypadající toroidní vrtule, aby zjistil, zda by došlo k penalizaci účinnosti tahu. Zřejmě ne: nejvýkonnější konstrukce týmu byla nejen tišší při dané úrovni tahu než nejlepší standardní vrtule, ale také produkovala větší tah při dané úrovni výkonu. To je pozoruhodné vzhledem k tomu, že standardní vrtule mají za sebou víc než 100 let vývoje, zatímco toroidy jsou ve velmi rané fázi, takže spousta optimalizací má teprve přijít. A co víc, jejich smyčkový tvar nejenže dodává strukturální stabilitu, ale také snižuje možnost vrtule pořezat, uštípnout nebo zachytit věci, do kterých narazí. Stále nebudete chtít, aby Vás tato vrtule udeřila, ale patrně došlo k jistému zlepšení bezpečnosti.
Pokud jde o nevýhody, jedná se o poměrně složité tvary, takže je mnohem těžší je vyrobit než standardní vrtule vyráběné pomocí levné a snadné metody vstřikování. Pravděpodobně je bude potřeba vytisknout na 3D tiskárně. Ale i když zdvojnásobí nebo ztrojnásobí cenu vrtulí, stále se jedná o levnou součást dronu a celkový dopad na peněženku nemusí být tak tvrdý. V této fázi není jasné, zda by takové konstrukce mohly být relevantní ve větším měřítku a zda by mohly nahradit tradiční vrtule u letadel s pevnými křídly nebo u elektrických aerotaxi VTOL. Ty se už zdají být výrazně tišší než helikoptéry, ale pokud nakonec zaplaví městský vzdušný prostor rychlou, levnou, zelenou leteckou dopravou, každý decibel hluku se bude počítat, když jde o odpor veřejnosti a regulačních orgánů. Otázkou ve skutečnosti je, jaké frekvence budou tyto větší vrtule zabírat v audio spektru a zda toroidní vrtule posunou zvuk směrem, který je pro člověka přátelský. Tým si patentoval design, a přestože není jasné, zda existují plány na jeho komercializaci, zdá se, že MIT je připraven licencovat jej zainteresovaným výrobcům.
A ještě větší výhoda ve vodě
Drony a letectví jsou jedna věc, ale aerodynamika a hydrodynamika spolu úzce souvisejí a ukázalo se, že v námořním prostoru už existuje produkt, který má velmi podobný přístup. Společnost Sharrow Marine získává působivé výsledky u lodních šroubů, které používají toroidní smyčky namísto standardních listů. Po několika letech vývoje nyní společnost otestovala své vrtule proti stovkám standardních vrtulí a rozdíl je neuvěřitelný. Vrtule od Sharrow jednoduše nevytvářejí víry na špičkách – hlavní zdroj energetických ztrát a překvapivě velká součást celkového hluku přívěsného motoru. Toroidní vrtule výrazně snižují množství kapaliny, která „vyklouzává“ ze stran vrtule, místo aby byla protlačována skrz, nasávají více vody a posouvají loď dál každou otáčkou. Zdvojnásobují rychlost, kterou může loď dosáhnout při nižších a středních otáčkách, čímž radikálně rozšiřují efektivní rozsah otáček motoru. A také snižují spotřebu paliva někde kolem 20 %, což je vzhledem k obrovským energetickým nárokům člunů poháněných vrtulí a rozsahu tohoto odvětví velký problém. Sharrow říká, že vrtule mají zajímavý efekt v tom, že výrazně snižují tendenci lodi couvat, když zrychluje; místo toho se celá loď zvedne z vody, zatímco zůstane mnohem více vyrovnaná. Kromě toho je vliv na hluk naprosto zásadní. Společnost tvrdí, že se jedná o vrtuli, kterou můžete použít víceméně na jakýkoli přívěsný motor a poté vystřelit rychlostí 48 km/h dostatečně tiše, abyste mohli na palubě konverzovat a nemuseli zvyšovat hlas. Sharrow již prodává své toroidní vrtule, které jsou CNC obráběné tak, aby vyhovovaly široké škále běžných přívěsných motorů od většiny hlavních výrobců.
Nevýhodou je zde cena; vrtule stojí 4999 USD za kus bez ohledu na model, kde se běžná vrtule může blížit 500 USD. Ale opět je to poměrně malá složka v celkových nákladech mnoha lodí a vzhledem k jejich nenasytné chuti po palivu se náklady mohou v krátké době vyplatit, jízda bude pro lidi na palubě mnohem pohodlnější, tak jako ty kolem a pro mořský život pod hladinou. Ve věku energetického přechodu musí být výše uvedené věci také mimořádně zajímavé pro každého, kdo vyrábí elektrifikované lodě, kde 20 % zvýšení dosahu od pěti grandového příslušenství by bylo naprosto bez problémů.