Spiky Ferrofluid Thruster können Satelliten bewegen

Ferrofluid Exhibit (Kann 2019).

Anonim

Brandon Jackson, ein Doktorand im Maschinenbau an der Michigan Technological University, hat ein neues Rechenmodell für ein Elektrospray-Triebwerk mit ionischer Flüssigkeit Ferrofluid entwickelt - eine vielversprechende Technologie für den Antrieb kleiner Satelliten durch den Weltraum. Insbesondere untersucht Jackson die Elektrospray-Startdynamik; mit anderen Worten, was dem Ferrofluid seine charakteristischen Spitzen verleiht.

Er ist der Hauptautor eines kürzlich erschienenen Artikels in der Physik von Flüssigkeiten, "Ionic Liquid Ferrofluid Interface Deformation und Spray Onset unter elektrischen und magnetischen Belastungen".

Im Weltraum

Mehr als 1.300 aktive Satelliten umkreisen die Erde. Einige haben die Größe eines Schulbusses und andere sind viel kleiner, so groß wie ein Schuhkarton oder ein Smartphone.

Kleinsatelliten können nun die Missionen von viel größeren und teureren Raumfahrzeugen aufgrund von Fortschritten in den Satelliten-Rechnungs- und Kommunikationssystemen ausführen. Die winzigen Fahrzeuge benötigen jedoch immer noch eine effizientere Manövriermöglichkeit im Weltraum.

Verkleinerte Plasma-Triebwerke, wie sie bei größeren Satelliten eingesetzt werden, funktionieren nicht gut. Eine viel versprechendere Methode der Mikropulsion ist Elektrospray.

Bei Elektrospray handelt es sich um mikroskopisch kleine Hohlnadeln, die mit Hilfe von Elektrizität dünne Flüssigkeitsstrahlen versprühen und das Raumfahrzeug in die entgegengesetzte Richtung drücken. Aber die Nadeln haben Nachteile. Sie sind kompliziert, teuer und leicht zu zerstören.

Fliegen mit Ferrofluiden

Um dieses Problem zu lösen, kreiert L. Brad King, Ron und Elaine Starr Professor für Weltraumsysteme an der Michigan Tech, eine neue Art von Mikrothrustern, die sich aus ihrem eigenen Treibstoff zusammensetzen, wenn sie von einem Magnetfeld angeregt werden. Das winzige Triebwerk benötigt keine zerbrechlichen Nadeln und ist im Wesentlichen unzerstörbar.

"Wir arbeiten mit einem einzigartigen Material namens ionische Flüssigkeit Ferrofluid", erklärt King und erklärt, dass es sowohl magnetisch als auch ionisch ist, ein flüssiges Salz. "Wenn wir einen Magneten unter einen kleinen Pool des Ferrofluids setzen, verwandelt er sich in eine wunderschöne Hedgehog-Struktur aus ausgerichteten Peaks. Wenn wir ein starkes elektrisches Feld auf diese Anordnung von Peaks anwenden, emittiert jeder einen einzelnen Mikrostrahl von Ionen."

Das Phänomen ist als Rosensweig-Instabilität bekannt. Die Peaks heilen sich auch selbst und wachsen wieder, wenn sie irgendwie beschädigt sind.

King kam 2012 auf die Idee, Ferrofluide für Bugstrahlruder zu verwenden. Er versuchte eine ionische Flüssigkeit herzustellen, die sich wie ein Ferrofluid verhält, als er von einem Forschungsteam an der Universität von Sydney unter der Leitung von Brian Hawkett und Nirmesh Jain erfuhr. Sie hatten ein Ferrofluid aus magnetischen Nanopartikeln des Life-Science-Unternehmens Sirtex entwickelt.

Kings frühe Arbeit mit der Ferrofluid-Probe war ein reines Ausprobieren; Die Ergebnisse waren gut, aber die Physik wurde schlecht verstanden. Zu diesem Zeitpunkt hat das Büro für wissenschaftliche Forschung der Luftwaffe (AFOSR) King einen Auftrag zur Erforschung der Flüssigkeitsphysik von Ferrofluid erteilt.

Elektrosprühdüsen

Treten Sie Jackson bei, dessen Doktorarbeit von König empfohlen wird.

"Typischerweise gibt es unter Ingenieuren Experimentatoren, die Dinge bauen und messen, oder es gibt Modellierer, die Dinge simulieren", sagt King. "Brandon glänzt bei beiden."

Jackson arbeitete im King's Ion Space Propulsion Laboratory und führte eine experimentelle und computergestützte Studie über die Grenzflächen-Dynamik des Ferrofluids durch und erstellte ein Computermodell für ionische Flüssig-Ferrofluid-Elektrosprays.

"Wir wollten herausfinden, was zu einer Emissionsinstabilität in einem einzelnen Peak des Ferrofluid-Mikrothrusters führte", sagt Jackson, der ein Modell für einen einzelnen Peak entwickelte und strenge Tests durchführte, um sicherzustellen, dass das Modell korrekt war.

Das Team hat die Zusammenhänge zwischen magnetischen, elektrischen und Oberflächenspannungsspannungen besser verstanden. Einige der Daten, die durch das Modell gesammelt wurden, überraschten sie.

"Wir haben gelernt, dass das Magnetfeld einen großen Einfluss auf die Vorkonditionierung von elektrischem Stress hat", erklärt Jackson. Diese Entdeckung könnte zu einem besseren Verständnis des einzigartigen Verhaltens von Ferrofluid-Elektrosprays führen.

Bis zur Unendlichkeit und weiter

Das AFOSR hat King kürzlich einen zweiten Auftrag erteilt, um die Physik von Ferrofluiden weiter zu erforschen. Er sagt: "Jetzt können wir das Gelernte übernehmen und anstatt einen einzelnen Peak zu modellieren, skalieren wir ihn und modellieren mehrere Peaks. "

Ihre nächste Reihe von Experimenten wird mehr wie ein Triebwerk sein, obwohl ein funktionierendes Triebwerk noch einige Jahre entfernt ist. Obwohl 100 Spitzen oder mehr, alle identisch zu stochern, werden viel schwieriger sein.

"Oft arbeiten wir im Labor mit einem Peak und 99 anderen. Das Modell von Brandon wird ein wichtiges Werkzeug für das zukünftige Team sein", sagt King. "Wenn wir erfolgreich sind, wird unser Triebwerk ermöglichen, dass kleine kostengünstige Satelliten mit eigenem Antrieb in Serie produziert werden. Das könnte die Fernerkundung für eine bessere Klimamodellierung verbessern oder eine bessere Internetkonnektivität bieten, die drei Milliarden Menschen auf der Welt noch nicht haben. "

Das Team hat auch mit Juan Fernandez de la Mora, einem Professor für Maschinenbau und Materialwissenschaften an der Yale University, einen der weltweit führenden Experten für Elektrospray, zusammengearbeitet.

Neben dem Antrieb von Raumfahrzeugen könnte die Ferrofluid-Elektrospray-Technologie in der Spektrometrie, der pharmazeutischen Produktion und der Nanofabrikation nützlich sein. Michigan Tech hat ein Patent für die Technologie angemeldet.

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