Spiky ferrofluid thrustere kan flytte satellitter

Brandon Jackson, en doktorand i maskinteknik ved Michigan Technological University, har skabt en ny beregningsmodel af en elektrospray -thruster ved hjælp af ionisk flydende ferrofluid - en lovende teknologi til fremdrivning af små satellitter gennem rummet. Specifikt, Jackson ser på at simulere elektrospray-startdynamikken; med andre ord, hvad der giver ferrofluidet dets karakteristiske pigge.

Han er hovedforfatter til en nylig artikel i Væskers fysik , "Ionisk flydende ferrofluid -grænseflade deformation og sprøjtestart under elektriske og magnetiske belastninger".

Oppe i rummet

Mere end 1, 300 aktive satellitter kredser om jorden. Nogle er på størrelse med en skolebus, og andre er langt mindre, størrelsen på en skokasse eller en smart telefon.

Små satellitter kan nu udføre missionerne fra meget større og dyrere rumfartøjer, på grund af fremskridt inden for satellitberegnings- og kommunikationssystemer. Imidlertid, de små køretøjer har stadig brug for en mere effektiv måde at manøvrere i rummet på.

Nedskalerede plasmatrustere, som dem, der er indsat på satellitter af større klasse, fungerer ikke godt. En mere lovende metode til mikropropulsion er elektrospray.

Elektrospray involverer mikroskopisk, hule nåle, der bruger elektricitet til at sprøjte tynde stråler med væske, skubbe rumfartøjet i den modsatte retning. Men nålene har ulemper. De er indviklede, dyre og let ødelægges.

Flyver med ferrofluids

For at løse dette problem, L. Brad King, Ron &Elaine Starr Professor i rumsystemer ved Michigan Tech, skaber en ny slags mikrotruster, der samler sig ud af sit eget drivmiddel, når den spændes af et magnetfelt. Den lille thruster kræver ingen skrøbelige nåle og er i det væsentlige uforgængelig.

"Vi arbejder med et unikt materiale kaldet en ionisk flydende ferrofluid, "Kongen siger, forklarer, at det er både magnetisk og ionisk, et flydende salt. "Når vi satte en magnet under en lille pool af ferrofluidet, det bliver til en smuk pindsvinestruktur af afstemte toppe. Når vi anvender et stærkt elektrisk felt til den række af toppe, hver enkelt udsender en individuel mikrostråle af ioner."

Fænomenet er kendt som en Rosensweig ustabilitet. Toppene helbreder også sig selv og vokser igen, hvis de på en eller anden måde er beskadiget.

King kom på ideen om at bruge ferrofluids til thrustere i 2012. Han forsøgte at lave en ionisk væske, der opførte sig som en ferrofluid, da han lærte om et forskerhold ved University of Sydney under ledelse af Brian Hawkett og Nirmesh Jain. De havde udviklet en ferrofluid fra magnetiske nanopartikler lavet af life science-virksomheden Sirtex.

Kings tidlige arbejde med ferrofluidprøven var ren forsøg og fejl; resultaterne var gode, men fysikken var dårligt forstået. Det var da Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) gav King en kontrakt om at undersøge ferrofluids flydende fysik.

Electrospray Thrusters

Indtast Jackson, hvis doktorgradsarbejde rådgives af kgl.

"Typisk blandt ingeniører, der er eksperimenter, der bygger og måler ting, eller der er modellerere, der simulerer ting, "King siger." Brandon udmærker sig ved begge dele. "

Arbejder i King's Ion Space Propulsion Laboratory, Jackson udførte en eksperimentel og beregningsmæssig undersøgelse af ferrofluidens grænsefladedynamik, og skabte en beregningsmodel af ioniske flydende ferrofluid elektrosprays.

"Vi ønskede at lære, hvad der førte til emissionsustabilitet i en enkelt top af ferrofluid-mikrothrusteren, " siger Jackson, der udviklede en model til en enkelt top og gennemførte strenge test for at sikre, at modellen var korrekt.

Holdet fik en meget bedre forståelse af forholdet mellem magnetiske, elektriske og overfladespændinger. Nogle af de data, der blev indsamlet gennem modellen, overraskede dem.

"Vi lærte, at magnetfeltet har en stor effekt ved forbehandling af væskens elektriske spænding, "Jackson siger, forklarer denne opdagelse kan føre til en bedre forståelse af ferrofluid elektrosprays unikke adfærd.

Mod det uendelige univers

AFOSR tildelte for nylig King en anden kontrakt om at fortsætte med at undersøge ferrofluids fysik, og han siger, "Nu kan vi tage det, vi har lært, og i stedet for at modellere en enkelt top, vi skalerer det op og modellerer flere toppe."

Deres næste sæt eksperimenter vil mere ligne en thruster, selvom en arbejdstuster stadig er flere år væk. Selvom der laves 100 toppe eller mere, alle støder ens, vil være meget mere udfordrende.

"Ofte vil vi i laboratoriet have en top i arbejde og 99 andre loafing. Brandons model vil være et vigtigt redskab for teamet fremover, " siger King. "Hvis vi har succes, vores thruster vil gøre det muligt at masseproducere små billige satellitter med egen fremdrift. Det kan forbedre fjernmåling til bedre klimamodellering, eller give bedre internetforbindelse, som tre milliarder mennesker i verden stadig ikke har."

Teamet er også begyndt at samarbejde med Juan Fernandez de la Mora, professor i maskinteknik og materialevidenskab ved Yale University, en af ​​verdens førende eksperter i elektrospray.

Udover fremdrift af rumfartøjer, ferrofluid electrospray teknologi kan være nyttig i spektrometri, farmaceutisk produktion, og nanofabrikation. Michigan Tech har et verserende patent på teknologien.