Dies ist die seltsamste Idee, die es je für ein Antriebssystem für Raumfahrzeuge gab: Ferrofluide

Wenn es um die Zukunft der Weltraumforschung geht, werden einige wirklich interessante Konzepte entwickelt. In der Hoffnung, weiter zu kommen und die damit verbundenen Kosten zu senken, besteht eines der übergeordneten Ziele darin, treibstoffeffizientere und effektivere Mittel zu finden, um Roboterraumfahrzeuge, Satelliten und sogar bemannte Missionen an ihre Ziele zu schicken. Dazu Ideen wie Nuklearantrieb , Ionenmotoren und selbst Antimaterie werden alle in Erwägung gezogen.

Aber diese Idee muss die bisher seltsamste sein! Es ist als Ferrofluid-Triebwerk bekannt, ein neues Konzept, das auf ionischen Flüssigkeiten beruht, die stark magnetisiert werden und Ionen freisetzen, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden. nach a neue Studie produziert von Forschern der Labor für Ionen-Weltraumantriebe an der Michigan Tech könnte dieses Konzept die Zukunft des Satellitenantriebs sein.

Diese Studie, die kürzlich in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Physik der Flüssigkeiten ,präsentiert eine völlig neue Methode zur Herstellung von Mikrotriebwerken – winzige Düsen, die von kleinen Satelliten verwendet werden, um im Orbit zu manövrieren. Dank technischer Verbesserungen können Kleinsatelliten – die typischerweise als solche mit einem Gewicht von weniger als 500 km (1.100 lbs) definiert werden – Aufgaben erfüllen, die früher größeren vorbehalten waren.

Beim Anlegen des Magnetfelds bildet das Ferrofluid „Peaks“, die nach Wegnahme des Felds verschwinden. Klicken Sie zum Animieren. Bildnachweis: MTU

Als solche machen sie einen immer größeren Anteil am Satellitenmarkt aus, und es wird erwartet, dass in naher Zukunft viele weitere auf den Markt kommen. Tatsächlich wird geschätzt, dass zwischen 2015 und 2019 über 500 kleine Satelliten wird LEO mit einem geschätzten Marktwert von 7,4 Milliarden US-Dollar auf den Markt gebracht. Kein Wunder also, warum Forscher verschiedene Arten von Mikrotriebwerken untersuchen, um sicherzustellen, dass diese Satelliten effektiv manövrieren können.

Obwohl es viele Möglichkeiten gibt, war es schwierig, eine zu finden, die Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit in Einklang bringt. Um dem zu begegnen, hat ein MTU-Forschungsteam mit einer Studie begonnen, die Ferrofluide als mögliche Lösung betrachtet. Wie bereits erwähnt, sind Ferrofluide ionische Flüssigkeiten, die aktiv werden, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden und Peaks bilden, die kleine Mengen an Ionen emittieren.

Diese Spitzen kehren dann zu einem natürlichen Zustand zurück, wenn das Magnetfeld entfernt wird, ein Phänomen, das als Rosenweig-Instabilität bekannt ist. Unter der Leitung von Brandon A. Jackson – Doktorand im Bereich Maschinenbau an der Michigan Technological University – begann das MTU-Forschungsteam darüber nachzudenken, wie daraus ein Antrieb werden könnte. Weitere Mitglieder waren der Doktorandenkollege Kurt Terhune und Professor Lyon B. King .

Prof. King, Ron & Elaine Starr Professor in Space Systems an der Michigan Tech, erforscht seit vielen Jahren die Physik von Ferrofluiden, dank der Unterstützung durch die Luftwaffenamt für wissenschaftliche Forschung (AFOSR). Im Jahr 2012 schlug er vor, solche ionischen Flüssigkeiten zu verwenden, um einen Mikrotriebwerk für moderne Satelliten zu bauen, basierend auf früheren Studien, die von Forschern der University of Sydney durchgeführt wurden.

Ohne Magnetfeld sehen Ferrofluide aus wie ein teerartiger Kraftstoff auf Ölbasis. Mit einem Magnetfeld baut sich das Treibmittel selbst zusammen und erhebt sich zu einer stacheligen Kugel. Bildnachweis: MTU

Wie er in einer MTU erklärte Pressemitteilung , bietet diese Methode eine einfache und effektive Möglichkeit, einen zuverlässigen Microthruster zu erstellen:

„Wir arbeiten mit einem einzigartigen Material, einem ionischen flüssigen Ferrofluid. Wenn wir einen Magneten unter ein kleines Becken des Ferrofluids legen, verwandelt es sich in eine schöne Igelstruktur aus ausgerichteten Spitzen. Wenn wir an diese Anordnung von Peaks ein starkes elektrisches Feld anlegen, emittiert jeder einen individuellen Mikro-Ionenstrahl.“

Mit Kings Hilfe, der die MTU betreut Labor für Ionen-Weltraumantriebe , Jackson und Tehrune begannen mit der Durchführung einer experimentellen und computergestützten Studie zur Dynamik des Ferrofluids. Daraus erstellten sie ein Computermodell, das ihnen viel über die Beziehungen zwischen magnetischen, elektrischen und Oberflächenspannungsspannungen beibrachte, und waren sogar von dem, was sie sahen, überrascht.

„Wir wollten herausfinden, was zu einer Emissionsinstabilität in einem einzigen Peak des Ferrofluid-Mikrotriebwerks geführt hat.“ genannt Jackson. „Wir haben gelernt, dass das Magnetfeld einen großen Einfluss auf die Vorkonditionierung der elektrischen Spannung in der Flüssigkeit hat.“

Cubesats wird von der Internationalen Raumstation ISS gestartet. Bildnachweis: NASA

Letztendlich hatten sie ein Modell für ein Elektrospray-Ferrofluid-Triebwerk mit ionischer Flüssigkeit entwickelt. Im Gegensatz zu herkömmlichen Elektrospray-Triebwerken – die Antrieb mit elektrischen Ladungen erzeugen, die winzige Flüssigkeitsstrahlen durch mikroskopische Nadeln senden – könnte ein Ferrofluid-Elektrospray-Triebwerk diese Nadeln, die teuer in der Herstellung und anfällig für Beschädigungen sind, überflüssig machen.

Stattdessen würde das von ihnen vorgeschlagene Triebwerk in der Lage sein, sich selbst aus seinem eigenen Treibstoff zusammenzubauen, würde auf keine zerbrechlichen Teile angewiesen und wäre im Wesentlichen unzerstörbar. Es würde auch Vorteile gegenüber herkömmlichen Plasmatriebwerken bieten, die scheinbar unzuverlässig sind, wenn sie für kleine Satelliten verkleinert werden. Aufgrund des Erfolgs ihres Modells hat die AFOSR kürzlich beschlossen, King einen zweiten Auftrag zu erteilen, um die Erforschung von Ferrofluiden fortzusetzen.

Mit dieser gesicherten Finanzierung ist King zuversichtlich, dass sie das, was sie mit dieser Studie gelernt haben, sinnvoll nutzen und sie skalieren können, um zu untersuchen, was mit mehreren Spitzen passiert. Als er erklärt :

„Oft haben wir im Labor eine Spitze, die arbeitet und 99 andere faulenzen. Brandons Modell wird ein wichtiges Werkzeug für das zukünftige Team sein. Wenn wir erfolgreich sind, wird unser Triebwerk die Massenproduktion kleiner, kostengünstiger Satelliten mit eigenem Antrieb ermöglichen. Das könnte die Fernerkundung für eine bessere Klimamodellierung verbessern oder eine bessere Internetverbindung bieten, die drei Milliarden Menschen auf der Welt immer noch nicht haben.“

In den kommenden Jahren wird erwartet, dass Kleinsatelliten einen immer größeren Anteil aller künstlichen Objekte ausmachen werden, die sich derzeit in der niedrigen Erdumlaufbahn befinden. Bildnachweis: ESA

Mit Blick auf die Zukunft möchte das Team Experimente durchführen, wie ein tatsächliches Triebwerk funktionieren könnte. Das Team hat auch begonnen, mit zu arbeiten Professor Juan Fernández de la Mora von der Yale University, einem der weltweit führenden Experten für Elektrospray-Antriebe, um ihren Vorschlag zu verwirklichen. Natürlich wird es viele Jahre dauern, bis ein Prototyp fertig ist, und ein solches Triebwerk müsste wahrscheinlich in der Lage sein, etwa 100 Spitzen auszuführen, um als lebensfähig zu gelten.

Dennoch verspricht die Technologie einen Markt, der in den kommenden Jahren und Jahrzehnten sprunghaft wachsen wird. Von weltweitem Internetzugang über Telekommunikation bis hin zu wissenschaftlicher Forschung wird alles ermöglicht, an Smallsats, Cubesats, Nanosats usw. wird es wahrscheinlich schon bald keinen Mangel mehr geben. Sie alle brauchen einen zuverlässigen Antrieb, wenn sie sich bei ihrer Arbeit von einander fernhalten wollen!

Michigan Tech hat auch Patente für die Technologie angemeldet, deren Anwendungen über den Antrieb hinausgehen und Spektrometrie, Pharmazeutika und Nanofabrikation umfassen.

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