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Kantrowitz limit

A.R. Kantrowitz era un arzillo vecchietto (non che sia sempre stato vecchio, ma è deceduto alla veneranda età di 95 anni “calcando le scene” fino alla fine) americano. Fisico ed inventore di questo e di quello.

Tanto per intenderci è stato uno dei primi (se non il primo) a proporre il concetto di propulsione laser per mandare carichi in orbita “sparando” fasci laser da terra. Fu uno dei pionieri e più grandi contributori in diversi campi, tipo meccanica dei fluidi, gasdinamica, magnetoidrodinamica, e via dicendo.

Ora, a parte riconoscere la genialità di Mr. Kantrowitz, mi ci sono imbattuto specialmente cercando di capire il concetto di “Limite di Kantrowitz“.

Prendiamo un condotto connesso ad una sorgente di vuoto. Il flusso di aria (mentre viene aspirata dalla pompa a vuoto) in tale condotto (assumendo un flusso di massa pari alla velocità di ingresso) aumenta man mano di velocità fino ad avvicinarsi a condizioni “di bloccaggio” in cui non si può superare la velocità locale del suono. Riducendo ulteriormente la pressione nel tubo la velocità del flusso non può aumentare, non potendo oltrepassare la velocità locale del suono. Questo il famoso limite di Kantrowitz che in sostanza blocca la velocità del flusso indipendentemente dall’ulteriore calo di pressione. Ovviamente un motore a getto (quelli degli aerei che fanno rumore senza eliche) deve accettare tale limite e non può spingere un flusso oltre Mach 1 al suo interno indipendentemente dall’aspirazione che il compressore è in grado di creare.

Tutto ciò è fantastico (e forse anche un po’ complesso). E la soluzione è sempre stata: stare sotto (o sopra nel caso di flussi che nascono già ipersonici) il fatidico limite. Un recente sistema di trasporto che promette faville (e dai che si capisce e comunque ne ho già sproloquiato almeno qui) propone però un’altra soluzione. La quale, nonostante i miei dubbi sull’intero sistema, devo riconoscere è geniale. Mettiamo un compressore sul muso della capsula (la quale viaggia a folle velocità nel tubo quasi-sottovuoto) che prende l’aria compressa dal davanti e la butta dietro per produrre anche spinta. Così rimaniamo sempre ben al disotto del limite di Kantrowitz e beneficiamo anche della compressione che noi stressi creiamo nel tubo muovendoci (ovviamente ci serve un metodo per partire, ma questa è un’altra storia).

In pratica sarebbe come mettersi dentro una grande siringa che aspira dal davanti per spingere il pistone dal dietro. Il tutto ad oltre 1000 km/h.

WU

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Spazio-tempo natalizio

Un po’ di fantafisica natalizia (di certo non particolarmente nuova).

Tutti sappiamo (noi bimbi alla lettura) che Babbo Natale consegna i regali a tutti i bimbi buoni la notte di Natale.

Appunto: tutti i regali in una notte. E quindi, l’annosa domanda (tramandata da padre in figlio), come fa Babbo Natale a fare tutto in una notte?

No, Amazon non centra. Ma la relatività si. Potenzialmente.

E’ almeno questo il conto che hanno provato a fare al dipartimento di fisica dell’università dell’Exeter. 700.000 di regali in una notte su e giù per il globo in 31 ore (considerando i fusi orari della notte natalizia).

Da due conti veloci si scopre che… le sue renne viaggiano alla moderata velocità di circa 10 milioni di chilometri l’ora. Una bazzecola per ogni buona renna di Babbo Natale.  Ovvio che non lo vediamo mai. Ed inoltre a queste velocità la relatività ci spiega che in tempo rallenta e quindi… Babbo Natale non invecchia.

Per una buona spiegazione su come fa a sollevare il suo giga-sacco invoco la teoria delle stringhe. Alcune cose bisogna crederci (o non crederci) e basta. Ah?!…

WU

PS. Sul sito della suddetta università scopro anche che la faccenda Santa Clause attanaglia anche altri rami di studio (qui un estratto del saggio con una conclusione di indubbio valore):

Might it be the case that the harshness of real life requires the creation of something better, something to believe in, something to hope for in the future or to return to a long-lost childhood a long time ago in a galaxy far far away?

 

 

Luxembourg in space

I consider this as a clear clue of long-term outlook.

the Luxembourg Government becomes a key shareholder of Planetary Resources, Inc., the U.S.-based asteroid mining company

[…]

The Luxembourg Government, the public-law banking institution “Société Nationale de Crédit et d’Investissement” (SNCI) and U.S.-based space technology company Planetary Resources have signed a 25 million euro investment and cooperation agreement within the framework of Luxembourg’s SpaceResources.lu initiative which aims at the exploration and the commercial utilization of resources from Near Earth Objects (NEOs), such as asteroids.

We are not talking about new, high risk-taker, small, almost unknown, startups that try to make money from nothing and just selling a dream. The communication is signed by the Ministry of Economy of the Government of the Grand Duchy of Luxembourg.

And… there is a date, i.e. a deadline. Ok, probably challenging and that will never be met, but at least a point in time is given. Again, it seems a mark of concreteness to me.

Within this agreement, the Luxembourg Government invests direct capital in Planetary Resources, Inc. and the Ministry of Economy is providing funding through different types of R&D grants. The funding will accelerate the company’s technical advancements with the aim of launching the first commercial asteroid prospecting mission by 2020.

And of course there is an immediate economic return for the Grand Duchy of Luxembourg…

In May 2016, Planetary Resources, Inc. established a wholly-owned Luxembourg based subsidiary named Planetary Resources Luxembourg.

[…]

Planetary Resources, for its part, is strengthening the local space industry by developing several key activities exclusively in Luxembourg focused on propulsion development, spacecraft launch integration, deep space communications, asteroid science systems, Earth observation product development and mission operations.

Ah, and it is not the first time in history…

The Grand Duchy has a renowned history in public-private partnerships. In
1985, Luxembourg became one of the founding shareholders of SES, a landmark for satellite telecommunications and now a world leader in this sector.”

Do we want to argue that those kind of stuffs can be done only by small, rich states (… and tax heavens)? Maybe, but at least they believe concretely in this future.

WU

PS. Well, SES is already one of the biggest satellite services providers wordwide and Planetary Resources is going to have the exclusive access (Ehm… monopoly?) to asteroid mining…

Tyrrell P34

Che non è una versione 2.0 (anzi… 34) della Loggia P2.

Si tratta, invece di uno dei pochissimi esemplari di monoposto di F1 ad avere la bellezza di 6 ruote. Ed è anche l’unica versione multiruota di una monoposto ad aver disputato, con successo, dei gran premi ufficiali.

TyreellP34_1.png

Procedendo con un po di ordine (per quel che sono in grado di fare).

Gli alettoni anteriori delle monoposto anni 70 non erano così efficienti come quelli odierni ed una delle principali conseguenze era la significativa resistenza aerodinamica causata dalle ruote anteriori da 13 pollici. Tale resistenza, oltre a “rallentare” la vettura, causava una significativa instabilità del mezzo sull’avantreno.

Le soluzioni a tale problema furono molte e varie e si susseguirono incessantemente (prendendo parte a quella corsa che è lo sviluppo tecnologico automobilistico). Fra le varie possibili soluzioni quella di Derek Gardner era abbastanza ovvia: facciamo le ruote più piccole, diciamo da 10 pollici, così la resistenza è minore. Ma cosi’ diminuisce anche l’impronta a terra e l’aderenza?! Benissimo, allora mettiamo quattro ruote, anziché due, sull’avantreno.

Ruote cosi’ piccole furono realizzate per l’occasione dalla Goodyear; queste dovevano essere più resistenti data la maggiore velocità di rotazione e le maggiori sollecitazioni a cui sarebbero state sottoposte.

Risultato? Un frankestain a 6 ruote; 4 avanti più piccole e 2 dietro più grandi, spinto da un motore Ford Cosworth, e con un’ala anteriore più piccola (dovendo nascondere ruote più piccole) e leggermente carenata a cui nessuno avrebbe dato un (euro)cent. Nessuno a parte la compagnia petrolifera francese Elf e la First National Cityche che finanziarono interamente il progetto.

Correva l’anno 1976 e la stagione per la Tyrrell P34 fu tutt’altro che negativa. Tra podi e vittorie la multigommata portò a casa il terzo posto della classifica costruttori.

TyreellP34_2.png

Tuttavia.

Le gomme anteriori essendo troppo piccole si surriscaldavano in maniera importante ed inoltre le ruotone posteriori vanificavano gran parte del guadagno aerodinamico che si otteneva con questa soluzione. La Goodyear abbandonò in breve lo sviluppo delle ruote da 10 pollici tornando a focalizzarsi su quelle da 13. Gardner lasciò la scuderia ed il progetto fu abbandonato.

La P34 fu comunque un pathfinder per molte compagnie che rimasero affascinate dal progetto della monoposto a sei ruote. Ed i prototipi si susseguirono (leggete qui) provando diverse e variopinte disposizioni che andavano dalle 4 ruote sull’anteriore, alle 4 ruote sul posteriore, alle 4 ruote sul posteriore e “gemellate”. Nessuno di questi prototipi disputò in realtà mai alcun gran premio. Gli sviluppi, tuttavia, continuarono incessanti fino al 1982 quando la Federazione Internazionale deliberò che l’effetto suolo non poteva più essere sfruttato e che il numero massimo di gomme per autovettura doveva essere “solo” 4 (2 avanti e 2 dietro e solo una coppia motrice).

Ecco il risultato dei bolidi che vediamo oggi e di quelli che invece conserviamo nei libri di storia (e nei nostri sogni).

WU

New York – San Francisco: 30 min, 20 $

Let me start with a simple, clear, obvious statement: “I’m not used to read Forbes”. Nonetheless, as usual, Mr. Internet led me here and there and in this case to Forbes (here, dated 02.03.15 [some unnecessary but irresistible pills of numerology: the product of the first two digits gives the sum of other two]).

It is at leat 3 years that on the web I spot the Hyperloop concept. Thanks to the paySpaceXpal-man Elon Musk that (the power of money…) dusted the concept off. In brief the Hyperloop is a concept for a high-speed transportation system based on reduced-pressure tubes where pressurized capsules move thanks to air compressors and linear induced motors (here the wiki explanation). What am I talking about? The strange missile here below.

Hyperloop

The concept dates back to the 1812 when George Medhurst proposed the idea of air-powered capsules in vacuum tubes in his paper “Calculations and Remarks Tending to Prove the Practicality, Effects and Advantages of a Plan for the Rapid Conveyance of Goods and Passengers Upon An Iron Road Through a Tube of 30 Feet in Area, of the Power and Velocity of Air” (not short, but for sure well explaining title). In 2012 Elon launched his (?!) idea of hyper-fast transportation system that himself defined as a “cross between a Concorde, a railgun and an air hockey table”. Sounds a bit science fiction, but probably times are getting mature and mature (200 hundred years of tech-evolution are not enough, but a good step forward).

The idea bounced around for decades (including Mr. Goddard papers in 1910 and Mr. Heinlain in 9156 mentioning “vacutubes” in Double Star) and in 2000s Swissmetro studied the idea concluding that it was not feasible, not economically feasible. Enough easy from a technical point of view (on the paper), enough expansive to let its economical feasibility still object of debate. 6-7.5 billions dollar, the price tag declared by Musk is considered too low, 100 billions seem more realistic (!).

Forbes begins stating that “Hyperloop is real” and it is partially true. A bundle of venture capitalist, billionaire and former White House deputy put together Hyperloop, a company boding of realizing the Hyperloop concept. Actually they intend to develop before the cargo version and only after the human transportation. Besides Hyperloop it exists, with a very similar name, also the HTT (Hyperloop Transportation Technologies), a research company crowdsourced born (and now hiring about 200 eng working in exchange of stock options; that’s business!) with the same aim: develop the Hyperloop concept. Also Musk itself revealed a plan for funding a test track in Texas with scaled-down capsules, and on June the 23rd 2015 I read here that more than 700 people signed for helping Musk for building its Hyperloop prototype. 3 teams working on the concept (I mean, paid for working on this!).

For me, and the children like me, it is fascinating thinking how Hypoerloop may change the world (boats? old dinosaur. goods transportation? matter for almost-real-time delivery!). Hyperloop can go over and under lands, through the oceans and so on (for the first line proposed by Musk the tubes should go parallel to Interstate 5) and actually overcomes two of the major impediments to rapid travel: air drag and friction. I personally belive (and who cares…) that our concept of transportation system should be deeply revisited (not jut increase the car efficiency of build larger/faster planes) and actually Hyperloop sounds to me a good compromise between science fiction and future reality.

In 2015, New York – San Francisco: 360 min (direct flight), 400 € (as a minimum). Keep on dreaming (and Musk investing).

WU

PS. Let me just point out the image below, taken from the Musk white paper, which compares the MJ (energy) for passenger along the journey Los Angeles – San Francisco.

LASF_MJ

Obviously (!) the Hyperloop technology is the absolute minimum (and the same would be also comparing times), but:

  • strange that the second best choice is still another Musk creation, the Tesla Model S fully electric car…
  • among “old technologies” cars, with 2 passengers, remain the less energetic options (although we see a lot of one-man-cars). Too energy-consuming airplanes, sounds like useless tech development…
  • Hyperloop has 20 $ estimated for something around 50 MJ, i.e. 0.4 $/MJ. The same cost of a flight connection (about 400$ for 1000 MJ)…