kozmos.hr
Znanost

Elektrostatička levitacija: inženjeri MIT-a testiraju ideju za novi rover koji lebdi

objavljeno

Tim znanstvenika razvija tehnologiju koja bi omogućila svemirskim vozilima da na većim asteroidima i satelitima levitiraju na nekoliko centimetara iznad tla koristeći prirodni naboj svemirskih tijela.

Levitacija uz pomoć Mjeseca?

Zrakoplovni inženjeri na MIT-u testiraju novi koncept za lebdeći rover koji levitira iskorištavajući prirodni naboj Mjeseca. Budući da im nedostaje atmosfera, Mjesec i druga tijela bez zraka poput asteroida mogu stvoriti električno polje izravnim izlaganjem suncu i okolnoj plazmi. Na Mjesecu je ovaj površinski naboj dovoljno jak da levitira prašinu više od 1 metar iznad tla, slično kao što statički elektricitet može uzrokovati da se čovjeku kosa na glavi.

Koncept, koji podsjeća na leteći tanjur u obliku diska u retro stilu, koristi sićušne ionske zrake kako bi napunio vozilo i povećao prirodni naboj površine. Cjelokupni učinak osmišljen je tako da generira relativno veliku silu odbijanja između vozila i tla, na način koji zahtijeva vrlo malo snage. U početnoj studiji izvodljivosti, istraživači su pokazali da bi takav ionski poticaj trebao biti dovoljno jak da levitira malo vozilo od skoro 1 kg na Mjesecu i velikim asteroidima.

Slika prikazuje dijagram postavljanja testa. Dizajn koristi sićušne ionske zrake za punjenje vozila i površine ispod, uz malo potrebne energije. Takav ionski poticaj mogao bi biti dovoljno jak da levitira vozilo od oko 0,9 kg na Mjesecu i velikim asteroidima (© Oliver Jia-Richards, Sebastian K. Hampl, Paulo C. Lozano).

Ionska sila

Levitirajući dizajn oslanja se na korištenje minijaturnih ionskih potisnika, nazvanih ionsko-tekući ionski izvori. Ove male, mikrofabricirane mlaznice spojene su na spremnik koji sadrži ionsku tekućinu u obliku rastaljene soli na sobnoj temperaturi. Kada se primijeni napon, ioni tekućine se nabijaju i emitiraju kao snop kroz mlaznice određenom silom.

Tim Paula Lozana bio je pionir u razvoju ionskih potisnika i koristio ih je uglavnom za pokretanje i fizički manevriranje malim satelitima u Svemiru. Kako bi testirao ideju, tim je u početku modelirao mali rover u obliku diska s ionskim potisnicima koji su sami punili vozilo. Oni su modelirali potisnike tako da iz vozila izbacuju negativno nabijene ione, što je vozilu učinkovito dalo pozitivan naboj, sličan pozitivno nabijenoj površini mjeseca. Ali otkrili su da to nije dovoljno da se vozilo podigne s tla.

„Onda smo pomislili, što ako svoj vlastiti naboj prenesemo na površinu kako bismo nadopunili njezin prirodni naboj?“, rekao je Jia-Richards, član tima.

Usmjeravajući dodatne potisnike u tlo i ispuštajući pozitivne ione kako bi pojačali površinski naboj, tim je zaključio da bi pojačanje moglo proizvesti veću silu protiv rovera, dovoljnu da ga levitira s tla. Na temelju modela tim je predvidio da bi mali rover – težak oko 0,9 kg – mogao postići levitaciju od oko jednog centimetra iznad površine, na velikom asteroidu kao što je Psyche, koristeći ionski izvor od 10 kilovolta. Za sličan polet na Mjesec, isti bi rover trebao izvor od 50 kilovolti.

„Ova vrsta ionskog dizajna koristi vrlo malo energije za generiranje puno napona. Potrebna snaga je tako mala da biste to mogli učiniti gotovo besplatno,“ objašnjava Lozano.

Testiranje ideje

Kako bi bili sigurni da model predstavlja što bi se moglo dogoditi u stvarnom okruženju u Svemiru, izveli su jednostavan scenarij u Lozanovom laboratoriju. Istraživači su proizveli malo heksagonalno testno vozilo teško oko 60 grama i veličine otprilike kao dlan osobe. Postavili su jedan ionski potisnik usmjeren prema gore, a četiri prema dolje, a zatim su vozilo objesili na aluminijsku površinu s dvije opruge kalibrirane da se suprotstave Zemljinoj gravitacijskoj sili. Cijela postavka bila je smještena unutar vakuumske komore kako bi se simuliralo bezzračno okruženje mjeseca i asteroida.

Istraživači su također objesili volframovu šipku s opruga eksperimenta i koristili njezin pomak kako bi izmjerili koliku snagu potisnici proizvode svaki put kada su ispaljeni. Primjenjivali su različite napone na potisnike i mjerili rezultirajuće sile, koje su zatim upotrijebili za izračunavanje visine koju bi samo vozilo moglo levitirati. Otkrili su da se ovi eksperimentalni rezultati podudaraju s predviđanjima istog scenarija iz njihovog modela, dajući im povjerenje da su njegova predviđanja za lebdenje rovera na Psihi i Mjesecu realna.

Potencijal za levitaciju i većih vozila?

Trenutni model je dizajniran da predvidi uvjete potrebne za jednostavno postizanje levitacije, koja je bila oko 1 centimetar od tla za vozilo od oko 0,9 kg. Ionski potisnici mogli bi generirati više sile s većim naponom kako bi podigli vozilo više od tla. Međutim, Jia-Richards kaže da bi model trebalo revidirati, jer ne uzima u obzir kako bi se emitirani ioni ponašali na većim visinama.

„U principu, uz bolje modeliranje, mogli bismo levitirati na mnogo veće visine“, kaže Jia-Richards.

U tom slučaju, Lozano kaže da bi buduće misije na Mjesec i asteroide mogle koristiti rovere koji koriste ionske potisnike za sigurno lebdjenje i manevriranje preko nepoznatog, neravnog terena – „S lebdećim roverom, ne morate brinuti o kotačima ili pokretnim dijelovima. Teren asteroida mogao bi biti potpuno neravan, i dokle god imate kontrolirani mehanizam da vaš rover pluta, tada biste mogli ići preko vrlo grubog, neistraženog terena, a da ne morate fizički izbjegavati asteroid.“

Znanstvenici proizveli najmanje letjelice na svijetu: manje su od zrna pijeska

Pridružite se raspravi u našoj Telegram grupi. KOZMOS Telegram

t.me/kozmoshr

Izvori:

Oliver Jia-Richards, Sebastian K. Hampl, Paulo C. Lozano, „Electrostatic Levitation on Atmosphere-Less Planetary Bodies with Ionic-Liquid Ion Sources,“ Journal of Spacecraft and Rockets (2021).

Jannifer Chu (21. prosinca 2021.), „Electrostatic Levitation: MIT Engineers Test an Idea for a New Hovering Moon Rover,“ scitechdaily.com (pristup 24. prosinca 2021.)

Student povijesti koji u slobodno vrijeme voli čitati i pisati o svojim najdražim temama - povijesti, svemiru i astronomiji - te uživa u gledanju svega povezanog sa Star Warsom.