Beobachte eine winzige Weltraumrakete

Anonim

Die Bewegung eines Nanosatelliten im Weltraum erfordert nur wenig Schub. Ingenieure der Michigan Technological University und der University of Maryland taten sich zusammen, stellten eine nanoskalige Rakete unter ein Mikroskop und beobachteten, was passierte.

Bis zur Unendlichkeit und darüber hinaus mit Nanosatelliten

Wenn ein Satellit mit einer Rakete in den Orbit gebracht wird, hat seine Reise gerade erst begonnen. Der Satellit, der alleine in den Weltraum fliegt, braucht ein On-Board-Thruster, damit er zum gewünschten Ort navigieren und dort bleiben kann, trotz der vielen Dinge, die sein Bestes geben, um vom Kurs abzukommen.

"Der Raum ist nicht das leere Vakuum des Nichts, das viele von uns annehmen", sagt Kurt Terhune, ein Maschinenbau-Student und der Hauptautor einer neuen Studie, die diese Woche in Nanotechnologie veröffentlicht wurde. "Der Weltraum hat tatsächlich eine kleine Menge an Atmosphäre, die Luftwiderstand verursacht, Sonnenwinde, die Satelliten vom Kurs abbringen und Weltraummüll, die eine ständige Gefahr darstellen."

Dies ist besonders wichtig in der neuen Ära der Weltraumforschung. Dutzende Unternehmen planen, innerhalb der nächsten fünf Jahre Tausende von winzigen Satelliten - einige so klein wie Schuhkartons - zu starten. Jeder dieser Nanosatelliten wird sein eigenes winziges Triebwerk benötigen. Eine Lösung kommt in Form eines Elektrospray-Strahlers, den Terhune zusammen mit seinem Berater L. Brad King, dem Ron und Elaine Starr-Professor für Weltraumsystemtechnik, studiert. Die Treibmittel für diese Triebwerke werden "ionische Flüssigkeiten" genannt, bei denen es sich um flüssige Salze bei Raumtemperatur handelt.

"Ähnlich wie das Kochsalz von Natriumchlorid, das viele von uns auf Pommes frites genießen, bestehen ionische Flüssigkeiten aus ungefähr der gleichen Anzahl von positiv und negativ geladenen Ionen", erklärt Terhune, dass elektrische Felder, die von Raumfahrzeugbatterien geliefert werden, Kräfte auf diese ausüben können Ionen und stößt sie mit großer Geschwindigkeit in den Weltraum aus. Der emittierte Ionenstrahl kann den sanften Schub liefern, den der Nanosatellit benötigt.

Elektrospray-Motoren

Viele dieser winzigen Elektrospray-Triebwerke, die zusammengepackt sind, könnten ein Raumfahrzeug über große Entfernungen, vielleicht sogar zum nächsten Exoplaneten, befördern. Elektrospray-Triebwerke werden derzeit am LISA Pathfinder der Europäischen Weltraumorganisation ESA getestet, der Objekte im Weltraum so präzise ausbalancieren will, dass sie nur durch Gravitationswellen gestört werden.

Aber diese Tröpfchentriebwerke haben ein Problem: Manchmal bilden sie nadelartige Spitzen, die die Funktionsweise des Triebwerks stören - sie stören die nach außen strömenden Ionen und machen die Flüssigkeit fest. Terhune und King wollten herausfinden, wie es dazu kommt.

"Die Herausforderung besteht darin, bei einem solch starken elektrischen Feld Bilder eines Materials zu erhalten. Deshalb haben wir uns an John Cumings von der University of Maryland gewandt", erklärt King und erklärt, dass Cumings für seine Arbeit mit anspruchsvollen Materialien bekannt ist. Um die Sache härter zu machen, kann sich die Spitze des Tröpfchens um einige Mikrometer bewegen, während das Triebwerk in Betrieb ist. Ein paar Mikrometer sind eine kleine Entfernung, aber im Vergleich zu den Eigenschaften, die das Team beobachten musste, machte dies das Experiment wie den Versuch, eine Nadel im Heuhaufen zu finden.

"Die tatsächliche nano-skalige Spitze des Tropfens mit einem Elektronenmikroskop zu finden, ist wie der Versuch, durch einen Strohhalm zu schauen, um irgendwo auf dem Boden eines Zimmers einen Penny zu finden", sagt King. "Und wenn sich dieser Penny bewegt, wie die Spitze des geschmolzenen Salztröpfchens - dann ist es aus der Kamera, und du musst wieder von vorne anfangen."

Im Advanced Imaging and Microscopy Lab an der University of Maryland hat Cumings das winzige Triebwerk in ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM) - ein fortschrittliches Mikroskop, das bis zu Millionstel Meter sehen kann - eingesetzt. Sie sahen zu, wie sich das Tröpfchen zu einem Punkt verlängerte und schärfte und dann begann, Ionen zu emittieren. Dann begannen die baumartigen Defekte zu erscheinen.

Zurück im Orbit

Die Forscher sagen, dass das Herausfinden, warum diese verzweigten Strukturen wachsen, verhindern könnte, dass sie sich bilden. Das Problem tritt auf, wenn der hochenergetische Elektronenstrahl des Mikroskops die Flüssigkeit der Strahlung aussetzt und einige der Bindungen zwischen Atomen in den Ionen bricht. Dies beschädigt die molekulare Struktur des geschmolzenen Salzes, so dass es geliert und sich anhäuft.

"Wir konnten beobachten, wie sich die dendritischen Strukturen in Echtzeit ansammeln", sagt Terhune. "Der spezifische Mechanismus muss noch untersucht werden, aber dies könnte für Raumfahrzeuge in Umgebungen mit starker Strahlung von Bedeutung sein."

Er fügt hinzu, dass der Elektronenstrahl des Mikroskops stärker ist als die natürlichen Einstellungen, aber das Gelieren könnte die Lebensdauer von Elektrospray-Engines in Weltraum- und geosynchronen Umlaufbahnen beeinflussen, wo die meisten Satelliten des Planeten kreisen. Und Sie müssen kein Raketenwissenschaftler sein, um die Physik zu verstehen, um dieses Leben zu verbessern, ist eine gute Idee.

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