Het verplaatsen van een nanosatelliet in de ruimte kost slechts een kleine hoeveelheid stuwkracht. Ingenieurs van de Michigan Technological University en de University of Maryland werkten samen, leg een raket op nanoschaal onder een microscoop, en keek wat er gebeurde.

Tot oneindig en verder met nanosatellieten

Wanneer een satelliet door een raket in een baan om de aarde wordt gebracht, zijn reis is nog maar net begonnen. Uit zichzelf in de ruimte vrijgelaten, de satelliet heeft een boegschroef aan boord nodig om naar de gewenste locatie te navigeren en daar te blijven ondanks de vele dingen die hun best doen om hem uit de koers te schoppen.

"De ruimte is niet het lege vacuüm van het niets dat velen van ons aannemen, " zegt Kurt Terhune, een afgestudeerde student werktuigbouwkunde en de hoofdauteur van een nieuwe studie gepubliceerd in Nanotechnologie deze week. "De ruimte heeft eigenlijk een kleine hoeveelheid atmosfeer die luchtweerstand veroorzaakt, zonnewinden die satellieten uit hun koers duwen en ruimtepuin dat een constant gevaar vormt."

Dit is vooral belangrijk in het nieuwe tijdperk van ruimteverkenning. Tientallen bedrijven zijn van plan om binnen de komende vijf jaar duizenden kleine satellieten te lanceren - sommige zo klein als schoenendozen. Elk van deze nanosatellieten heeft zijn eigen kleine boegschroef nodig. Een oplossing komt in de vorm van een electrospray boegschroef die Terhune samen met zijn adviseur bestudeert, L. Brad Koning, de Ron en Elaine Starr hoogleraar Space Systems Engineering. De drijfgassen voor deze stuwraketten worden "ionische vloeistoffen, ", dit zijn vloeibare zouten op kamertemperatuur.

"Net zoals het natriumchloride tafelzout waar velen van ons van genieten op frites, ionische vloeistoffen bestaan ​​uit ongeveer gelijke aantallen positief en negatief geladen ionen, "Terhune zegt, uitleggen dat elektrische velden, geleverd door ruimtevaartuigbatterijen, kan krachten uitoefenen op deze ionen en ze met grote snelheid de ruimte in werpen. De uitgezonden ionenbundel kan de zachte stuwkracht leveren die de nanosatelliet nodig heeft.

Electrospray-motoren

Veel van deze kleine samengepakte elektrospray-stuwraketten kunnen een ruimtevaartuig over grote afstanden voortstuwen, misschien zelfs naar de dichtstbijzijnde exoplaneet. Electrospray-thrusters worden momenteel getest op de LISA Pathfinder van de European Space Agency, die hoopt objecten in de ruimte zo precies in evenwicht te brengen dat ze alleen zouden worden verstoord door zwaartekrachtsgolven.

Maar deze druppelmotoren hebben een probleem:soms vormen ze naaldachtige spikes die de werking van de boegschroef verstoren - ze belemmeren de ionen die naar buiten stromen en maken de vloeistof vast. Terhune en King wilden weten hoe dit eigenlijk gebeurt.

"De uitdaging is om beelden te krijgen van een materiaal in de aanwezigheid van zo'n sterk elektrisch veld, daarom wendden we ons tot John Cumings van de Universiteit van Maryland, " Koning zegt, legt uit dat Cumings bekend staat om zijn werk met uitdagende materialen. Om het moeilijker te maken, de punt van de druppel kan enkele microns bewegen terwijl de boegschroef in werking is. Een paar micron is een kleine afstand, maar vergeleken met de kenmerken die het team moest observeren, dit maakte het experiment als het zoeken naar een speld in een hooiberg.

"Het vinden van de werkelijke nanoschaal van de druppel met een elektronenmicroscoop is als proberen door een frisdrankrietje te kijken om ergens op de vloer van een kamer een cent te vinden, "zegt King. "En als die cent beweegt, zoals de punt van de gesmolten zoutdruppel doet - dan is het buiten de camera, en je moet helemaal opnieuw beginnen te zoeken."

Bij het Advanced Imaging and Microscopy Lab aan de Universiteit van Maryland, Cumings plaatste de kleine boegschroef in een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM) - een geavanceerde scoop die dingen tot op een miljoenste van een meter kan zien. Ze keken hoe de druppel langwerpig en scherp werd tot een punt, en begon toen ionen uit te zenden. Toen begonnen de boomachtige gebreken te verschijnen.

Terug in de baan

De onderzoekers zeggen dat het uitzoeken waarom deze vertakte structuren groeien, zou kunnen helpen voorkomen dat ze zich vormen. Het probleem doet zich voor wanneer de hoogenergetische elektronenstraal van de microscoop de vloeistof blootstelt aan straling, het verbreken van enkele bindingen tussen atomen in de ionen. Dit beschadigt de moleculaire structuur van het gesmolten zout, dus het geleert en stapelt zich op.

"We waren in staat om de dendritische structuren in realtime te zien accumuleren, Terhune zegt. "Het specifieke mechanisme moet nog worden onderzocht, maar dit zou van belang kunnen zijn voor ruimtevaartuigen in omgevingen met veel straling."

Hij voegt eraan toe dat de elektronenstraal van de microscoop krachtiger is dan natuurlijke omgevingen, maar de gelering kan de levensduur van elektrospraymotoren in de verre ruimte en geosynchrone banen beïnvloeden waar de meeste satellieten van de planeet rondcirkelen. En je hoeft geen raketgeleerde te zijn om te weten dat het een goed idee is om de natuurkunde uit te zoeken om die levensduur te verbeteren.