Stejně jako NASA potřebuje snížit hmotnost vesmírné lodi, aby mohla uniknout zemské gravitaci, snaží se výrobci automobilů snížit hmotnost, aby zlepšili vlastnosti vozidla. V případě brzdových rotorů platí, že nižší hmotnost je lepší pro zrychlení vozidla, spolehlivé zastavení a dokonce i pro spotřebu paliva. Patentovaná konstrukce brzdových kotoučů NASA je minimálně o 42 % lehčí než běžné litinové brzdové disky, přičemž výkon nové konstrukce je srovnatelný s mnohem dražšími karbon-keramickými brzdami.
Jonathan Lee, inženýr konstrukčních materiálů v Marshallově středisku vesmírných letů NASA v Huntsville v Alabamě, se během pandemické odstávky zamyslel nad kotoučovými brzdami. Jeho schopnosti mechanického konstruktéra podpořené vzděláním v oblasti materiálových věd se obvykle soustřeďují na jeho dvojí roli – inženýra konstrukčních materiálů pro Space Launch System a vědeckého pracovníka pro materiály v mikrogravitaci na vesmírné stanici. Se zájmem podpořit další poslání NASA, kterým je rozvoj technologií pro zlepšení života na Zemi, hledal inovativní způsob, jak navrhnout lepší automobilové kotoučové brzdy.
„Ochota NASA pomáhat společnostem k většímu úspěchu, a to s využitím všech jejich odborných znalostí a dobré vůle, která se k nim vztahuje, je opravdu úžasná,“ řekl Chance Claxton, spoluvýkonný ředitel společnosti Orbis Brakes se sídlem v kalifornské Santa Rose.
Periodic Wave
Snížení hmotnosti kol znamená, že vozidlo spotřebuje méně energie na brzdění a zrychlování. Běžné brzdové kotouče jsou těžké, protože se skládají ze dvou kovových desek chlazených vzduchem, který mezi nimi cirkuluje. Tato konstrukce je neefektivní, protože třením o brzdové destičky se zahřívají vnější plochy, ale chlazení vzduchem probíhá na vnitřních plochách, kde jsou desky proti sobě. Lee chtěl místo toho chladit přímo horké povrchy, což by umožnilo odstranit jeden z těžkých kotoučů z každého ze čtyř rotorů vozidla. Ukázalo se, že jeho návrh má i další výhody.
Začal s jedním diskem s řadou malých ploutví kolem centrálního náboje. Ty při otáčení nasávají vzduch a tlačí ho přes povrch kotouče, kde se dotýkají brzdové destičky, a tím chladí rotor i brzdové destičky a třmeny. Poté přidal několik dlouhých prohlubní kolem brzdných ploch, které vyzařují ze středu a vytvářejí pravidelný, periodický vzor, který dal nové technologii Orbis její obchodní název PeriodicWave.
Otáčející se lamely a odstředivá síla kola tlačí vzduch do prohlubní, což způsobuje turbulentní proudění vzduchu, které odvádí teplo. „Když vzduch vyletí ven, přechází přes brzdový třmen a ochlazuje ho – žádný běžný rotor není schopen udělat něco tak šíleného. Je to obrovské,“ řekl Lee.
Tyto rýhy v brzdných plochách také zvětšují plochu pro chlazení vzduchem o více než 30 % a dále snižují hmotnost kotouče. Navíc zvyšují tření stejným způsobem, jako když se díky rýhám v betonu bezpečněji chodí po schodech – brzdové destičky méně kloužou, a brzdění je tak spolehlivější.
Žlaby odvádějí nejen teplo. Stejně problematické jsou voda a nečistoty z vozovky, které se dostanou mezi podložku a rotor, takže žlábky poskytují prostor pro víření vzduchu, který vytlačuje všechny látky z cesty. Malý otvor vyfrézovaný na konci každého z nich vytváří otvor, kterým může nežádoucí materiál uniknout. „A také to prostě vypadá skvěle,“ řekl Lee.
Druhá periodická vlna je řezána podél vnějšího okraje disku. Tím, že se běžný kruhový design nahradí zvlněným vzorem, má nový rotor ještě větší plochu, která přijde do styku s chladným vzduchem, jenž přes něj proudí. K dodatečnému odvodu tepla dochází bez ohledu na použitý vzor periodické vlny, což umožňuje vytvářet vtipné designy a dodávat osobitost obvykle nudnému automobilovému dílu.
Tenká vrstva černého povlaku nanesená na povrchy, které nepřicházejí do styku s brzdovými destičkami, jako je vnitřní strana žlábků, může pomoci rotoru vyzařovat další teplo. Tento jedinečný trojdílný chladicí systém – konvekce poháněná prouděním vzduchu, vedení tepla přes kovový rotor a vyzařování z povrchů s tmavým povlakem – nebyl dosud nikdy účinně použit u žádného běžného rotoru kotoučové brzdy, uvedl Lee.
Brzdy šetrné k životnímu prostředí
Na rozdíl od běžných brzd, které se mohou přehřát a případně selhat, může tato nová konstrukce brzd výrazně zlepšit spolehlivost. Může také nabídnout mechanické řešení závažného znečišťovatele životního prostředí – toxických nanočástic.
„Když brzdové destičky překročí určitou kritickou teplotu, může se v závislosti na materiálu, z něhož jsou vyrobeny, až 10 000krát zvýšit množství toxických nanočástic,“ řekl Marcus Hays, spoluvýkonný ředitel společnosti Orbis Brakes. Protože se toxický prach vznáší přímo ve výšce ulice, je podle studie Oxfordské univerzity jeho dopad na lidské zdraví škodlivější než emise výfukových plynů. Podle Hayse proto společnost v současné době testuje svou konstrukci brzd EcoWave, aby se ujistila, že nebude vytvářet tento druh emisí.
Společnost Orbis zatím nabízí rotor NextWave jako dodatečně dodávanou kotoučovou brzdu pro výkonné vozy, jako je Ford Mustang a některé modely Tesla.
Elektromobily mohou být přibližně o 25 % těžší než vozidla se spalovacím motorem a mají vynikající rychlost, zrychlení a točivý moment. Podle Hayse mají majitelé tendenci s nimi jezdit jako se sportovními vozy, a proto společnost nabízí alternativu k brzdám instalovaným z výroby, které nejsou pro takový způsob ovládání určeny. Systém NextWave umožní rychlejší zastavení a lepší změny směru jízdy, navíc s jiným druhem cool faktoru: „Tato mimořádná funkční konfigurace má také neuvěřitelně neotřelý vzhled – v historii kotoučových brzd nic podobného neexistuje,“ řekl Claxton.
„Ohromující síla“
Jakmile společnost získá zpětnou vazbu od prvních uživatelů, připraví další dvě řady: LightWave bude kombinovat rotor NextWave s lehkým třmenem a CarbonWave bude určen výhradně pro elektromobily.
Všechny tyto modely váží přibližně polovinu hmotnosti běžných rotorů a zároveň výrazně zlepšují brzdný výkon. Všechny brzdy se budou vyrábět ve Spojených státech. Kromě možnosti snížení toxických nanočástic bude uhlíková stopa každého typu periodické vlnové kotoučové brzdy mnohem menší než u běžných brzd.
Hays označil program NASA pro přenos technologií za „klíčový pro americkou konkurenceschopnost“ a popsal vztah společnosti s NASA jako „nesmírně silný“.
„Rozhodně to bude znamenat katapult našeho podnikání a dodá nám to důvěryhodnost a platnost všeho, co děláme,“ řekl. „NASA nám dává základ pro to, abychom mohli vyrazit do světa, vyjednávat a mít respekt našich kolegů hned od začátku. To by u společnosti v raném stádiu nebylo obvyklé.“
Zdroj: NASA
Pozn. Podobný design se používá u brzdových kotoučů motocyklů, ale bez středových „lopatek“ a ostatních designový zlepšení, které tlačí vzuch do spirálových prohlubní podobně jako ventilátor.