Brandon Jackson, een promovendus in werktuigbouwkunde aan de Michigan Technological University, heeft een nieuw rekenmodel gemaakt van een elektrospray-stuwraket met behulp van ionische vloeibare ferrovloeistof - een veelbelovende technologie om kleine satellieten door de ruimte voort te stuwen. specifiek, Jackson kijkt naar het simuleren van de dynamiek van het opstarten van elektrospray; met andere woorden, wat geeft de ferrovloeistof zijn karakteristieke pieken.

Hij is de hoofdauteur van een recent artikel in Fysica van vloeistoffen , "Ionische Vloeibare Ferrofluid Interface Vervorming en Spray Onset onder elektrische en magnetische spanningen".

In de ruimte

meer dan 1, 300 actieve satellieten draaien in een baan om de aarde. Sommige zijn zo groot als een schoolbus, en andere zijn veel kleiner, zo groot als een schoenendoos of een smartphone.

Kleine satellieten kunnen nu de missies van veel grotere en duurdere ruimtevaartuigen uitvoeren, als gevolg van de vooruitgang op het gebied van computer- en communicatiesystemen voor satellieten. Echter, de kleine voertuigen hebben nog steeds een efficiëntere manier nodig om in de ruimte te manoeuvreren.

Verkleinde plasma-stuwraketten, zoals die worden ingezet op satellieten van grotere klasse, werken niet goed. Een meer veelbelovende methode voor microvoortstuwing is elektrospray.

Electrospray omvat microscopische, holle naalden die elektriciteit gebruiken om dunne vloeistofstralen te spuiten, het ruimtevaartuig in de tegenovergestelde richting duwen. Maar de naalden hebben nadelen. Ze zijn ingewikkeld, duur en gemakkelijk te vernietigen.

Vliegen met Ferrofluids

Om dit probleem op te lossen, L. Brad Koning, Ron &Elaine Starr Professor in Space Systems bij Michigan Tech, creëert een nieuw soort microthruster die zichzelf uit zijn eigen drijfgas assembleert wanneer hij wordt opgewonden door een magnetisch veld. De kleine boegschroef vereist geen kwetsbare naalden en is in wezen onverwoestbaar.

"We werken met een uniek materiaal, een ionische vloeibare ferrovloeistof, " Koning zegt, uitleggen dat het zowel magnetisch als ionisch is, een vloeibaar zout. "Als we een magneet onder een kleine plas van de ferrovloeistof plaatsen, het verandert in een prachtige egelstructuur van uitgelijnde toppen. Als we een sterk elektrisch veld toepassen op die reeks pieken, elk zendt een individuele microstraal van ionen uit."

Het fenomeen staat bekend als een Rosensweig-instabiliteit. De pieken genezen ook zichzelf en groeien opnieuw als ze op de een of andere manier beschadigd zijn.

King kwam in 2012 op het idee om ferrovloeistoffen te gebruiken voor stuwraketten. Hij probeerde een ionische vloeistof te maken die zich als een ferrovloeistof gedroeg toen hij hoorde over een onderzoeksteam aan de Universiteit van Sydney onder leiding van Brian Hawkett en Nirmesh Jain. Ze hadden een ferrovloeistof ontwikkeld uit magnetische nanodeeltjes, gemaakt door het life sciences-bedrijf Sirtex.

King's vroege werk met het ferrofluïde monster was puur vallen en opstaan; de resultaten waren goed, maar de natuurkunde werd slecht begrepen. Toen gaf het Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) King een contract om de vloeistoffysica van ferrofluïdum te onderzoeken.

Electrospray boegschroeven

Voer Jackson in, wiens doctoraatswerk wordt geadviseerd door King.

"Typisch onder ingenieurs, er zijn experimentatoren die dingen bouwen en meten, of er zijn modelbouwers die dingen simuleren, "zegt King. "Brandon blinkt uit in beide."

Werken in King's Ion Space Propulsion Laboratory, Jackson voerde een experimenteel en computationeel onderzoek uit naar de grensvlakdynamiek van het ferrofluïdum, en creëerde een computermodel van ionische vloeibare ferrofluïde elektrosprays.

"We wilden weten wat leidde tot emissie-instabiliteit in één enkele piek van de ferrofluïde microthruster, "Jackson zegt, die een model voor een enkele piek ontwikkelde en rigoureuze tests uitvoerde om er zeker van te zijn dat het model correct was.

Het team kreeg een veel beter begrip van de relaties tussen magnetische, elektrische spanningen en oppervlaktespanningen. Sommige gegevens die via het model werden verzameld, verrasten hen.

"We hebben geleerd dat het magnetische veld een groot effect heeft bij het voorbereiden van de vloeibare elektrische spanning, "Jackson zegt, het verklaren van deze ontdekking zou kunnen leiden tot een beter begrip van het unieke gedrag van ferrofluïde elektrosprays.

Tot de oneindigheid en verder

De AFOSR heeft King onlangs een tweede contract toegekend om door te gaan met het onderzoek naar de fysica van ferrovloeistoffen, en hij zegt, "Nu kunnen we nemen wat we hebben geleerd, en in plaats van een enkele piek te modelleren, we zullen het opschalen en meerdere pieken modelleren."

Hun volgende reeks experimenten zal meer een stuwkracht zijn, hoewel een werkende boegschroef nog enkele jaren verwijderd is. Hoewel het maken van 100 pieken of meer, allemaal hetzelfde duwen, zal veel uitdagender zijn.

"Vaak hebben we in het lab één piek aan het werk en 99 anderen lummelen. Het model van Brandon zal een essentieel hulpmiddel zijn voor het team in de toekomst, " zegt King. "Als we succesvol zijn, onze boegschroef zal het mogelijk maken om kleine goedkope satellieten met hun eigen voortstuwing in massa te produceren. Dat zou teledetectie kunnen verbeteren voor betere klimaatmodellering, of zorgen voor een betere internetverbinding, die drie miljard mensen in de wereld nog steeds niet hebben."

Het team is ook gaan samenwerken met Juan Fernandez de la Mora, een professor in werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan de Yale University, een van 's werelds toonaangevende experts op het gebied van elektrospray.

Naast de voortstuwing van ruimtevaartuigen, ferrofluid electrospray-technologie kan nuttig zijn in spectrometrie, farmaceutische productie, en nanofabricage. Michigan Tech heeft een patent aangevraagd voor de technologie.