Se en lille rumraket arbejde

At flytte en nanosatellit rundt i rummet kræver kun en lille mængde tryk. Ingeniører fra Michigan Technological University og University of Maryland gik sammen, sætte en raket i nanoskala under et mikroskop, og så hvad der skete.

Til Infinity and Beyond med nanosatellitter

Når en satellit sættes i kredsløb af en raket, dens rejse er kun lige begyndt. Frigivet ud i rummet på egen hånd, satellitten har brug for en indbygget thruster, så den kan navigere til dens ønskede placering og derefter forblive der på trods af de mange ting, der gør deres bedste for at få den ud af kurs.

"Rummet er ikke det tomme tomrum af intet, mange af os antager, siger Kurt Terhune, en kandidatstuderende i maskinteknik og hovedforfatteren på en ny undersøgelse offentliggjort i Nanoteknologi denne uge. "Rummet har faktisk en lille mængde atmosfære, der forårsager luftmodstand, solvinde, der skubber satellitter ud af kurs og rumaffald, der udgør en konstant fare."

Dette er især vigtigt i den nye æra af rumudforskning. Dusinvis af virksomheder planlægger at opsende tusindvis af bittesmå satellitter - nogle så små som skoæsker - inden for de næste fem år. Hver af disse nanosatellitter har brug for sin egen lille thruster. En løsning kommer i form af en elektrospray-thruster, som Terhune studerer sammen med sin rådgiver, L. Brad King, Ron og Elaine Starr professor i rumsystemteknik. Drivmidlerne til disse thrustere kaldes "ioniske væsker, " som er flydende salte ved stuetemperatur.

"Ligesom natriumchlorid-bordsaltet, som mange af os nyder på pommes frites, ioniske væsker består af stort set lige mange positivt og negativt ladede ioner, "Terhune siger, forklarer, at elektriske felter, leveret af rumfartøjsbatterier, kan udøve kræfter på disse ioner og skubbe dem ud i rummet med stor hastighed. Den udsendte ionstråle kan give den blide fremdrift, som nanosatellitten har brug for.

Elektrospraymotorer

Mange af disse små elektrospray-thrustere pakket sammen kunne drive et rumfartøj over store afstande, måske endda til den nærmeste exoplanet. Elektrospray-thrustere bliver i øjeblikket testet på den europæiske rumfartsorganisations LISA Pathfinder, som håber at placere objekter i rummet så præcist, at de kun ville blive forstyrret af gravitationsbølger.

Men disse dråbemotorer har et problem:nogle gange danner de nålelignende pigge, der forstyrrer den måde, hvorpå thrusteren fungerer - de kommer i vejen for ionerne, der strømmer udad og gør væsken til fast. Terhune og King ville finde ud af, hvordan dette rent faktisk sker.

"Udfordringen er at få billeder af et materiale i nærværelse af et så stærkt elektrisk felt, Derfor henvendte vi os til John Cumings på University of Maryland, "Kongen siger, forklarer, at Cumings er kendt for sit arbejde med udfordrende materialer. For at gøre tingene sværere, spidsen af ​​dråben kan bevæge sig rundt med et par mikrometer, mens thrusteren kører. Nogle få mikron er en lille afstand, men sammenlignet med de funktioner, som holdet skulle observere, dette gjorde eksperimentet som at prøve at finde en nål i en høstak.

"At finde den faktiske spids af dråben i nanoskala med et elektronmikrosop er som at prøve at kigge gennem et sodavandsstrå for at finde en øre et sted på gulvet i et rum, " siger King. "Og hvis den øre bevæger sig, ligesom spidsen af ​​den smeltede saltdråbe gør – så er det væk fra kameraet, og du skal begynde at søge forfra."

På Advanced Imaging and Microscopy Lab ved University of Maryland, Cumings sætter den lille thruster i et transmissionselektronmikroskop (TEM) - et avanceret kikkert, der kan se ting ned til milliontedele af en meter. De så på, hvordan dråben blev forlænget og skærpet til et punkt, og begyndte så at udsende ioner. Så begyndte de trælignende skavanker at dukke op.

Tilbage i Orbit

Forskerne siger, at det at finde ud af, hvorfor disse forgrenede strukturer vokser, kan hjælpe med at forhindre dem i at dannes. Problemet opstår, da mikroskopets højenergiske elektronstråle udsætter væsken for stråling, bryde nogle af bindingerne mellem atomer i ionerne. Dette beskadiger det smeltede salts molekylære struktur, så det geler og hober sig op.

"Vi var i stand til at se de dendritiske strukturer akkumulere i realtid, " siger Terhune. "Den specifikke mekanisme mangler stadig at blive undersøgt, men dette kan have betydning for rumfartøjer i miljøer med høj stråling."

Han tilføjer, at mikroskopets elektronstråle er kraftigere end naturlige omgivelser, men geleringen kan påvirke levetiden for elektrospraymotorer i dybt rum og geosynkrone baner, hvor de fleste af planetens satellitter kredser. Og du behøver ikke at være raketforsker for at kunne finde ud af fysikken for at forbedre den levetid er en god idé.