Att flytta en nanosatellit i rymden kräver bara en liten mängd dragkraft. Ingenjörer från Michigan Technological University och University of Maryland samarbetade, sätta en nanoskala raket under ett mikroskop, och såg vad som hände.

Till oändlighet och bortom med nanosatelliter

När en satellit placeras i en bana av en raket, dess resa har bara börjat. Släpps ut i rymden på egen hand, satelliten behöver en inbyggd thruster så att den kan navigera till önskad plats och sedan stanna kvar trots de många sakerna som gör sitt bästa för att sparka den ur kurs.

"Rymden är inte tomhetens tomma vakuum som många av oss antar, "säger Kurt Terhune, en maskinteknisk doktorand och huvudförfattaren på en ny studie publicerad i Nanoteknik Denna vecka. "Rymden har faktiskt en liten mängd atmosfär som orsakar drag, solvindar som driver satelliter ur kurs och rymdskräp som utgör en konstant fara. "

Detta är särskilt viktigt i den nya epoken för rymdutforskning. Dussintals företag planerar att skjuta upp tusentals små satelliter - några så små som skokartonger - inom de närmaste fem åren. Var och en av dessa nanosatelliter behöver sin egen lilla thruster. En lösning kommer i form av en elektrosprutpropeller som Terhune studerar tillsammans med sin rådgivare, L. Brad King, Ron och Elaine Starr professor i rymdsystemteknik. Drivmedel för dessa thrusterar kallas "joniska vätskor, "som är flytande salter vid rumstemperatur.

"Ungefär som natriumkloridbordsaltet som många av oss tycker om pommes frites, jonvätskor består av ungefär lika många positivt och negativt laddade joner, "Terhune säger, förklarar att elektriska fält, levereras med rymdfarkostbatterier, kan utöva krafter på dessa joner och mata ut dem i rymden med stor hastighet. Den utsända jonstrålen kan ge den mjuka dragkraft som nanosatelliten behöver.

Elektrospraymotorer

Många av dessa små elektrosprutpropressorer packade ihop kan driva ett rymdfarkoster över stora avstånd, kanske till och med till närmaste exoplanet. Elektrospraypropressorer testas för närvarande på European Space Agency:s LISA Pathfinder, som hoppas kunna göra objekt i rymden så exakta att de bara skulle störas av gravitationella vågor.

Men dessa droppmotorer har ett problem:ibland bildar de nålliknande spikar som stör hur thrusteren fungerar-de hindrar jonerna att flöda utåt och gör vätskan till fast. Terhune och King ville ta reda på hur detta faktiskt händer.

"Utmaningen är att få bilder av ett material i närvaro av ett så starkt elektriskt fält, därför vände vi oss till John Cumings vid University of Maryland, "King säger, förklarar att Cumings är känt för sitt arbete med utmanande material. För att göra saker svårare, droppens spets kan röra sig med några mikron medan propellern är i drift. Några mikron är ett litet avstånd, men jämfört med de funktioner som teamet behövde observera, detta gjorde experimentet som att försöka hitta en nål i en höstack.

"Att hitta droppens egentliga spets i nanoskala med ett elektronmikroskop är som att försöka titta igenom ett läskstrå för att hitta en slant någonstans på golvet i ett rum, "King säger." Och om den slanten rör sig, som spetsen på den smälta saltdroppen gör - då är den avstängd från kameran, och du måste börja söka om igen. "

Vid Advanced Imaging and Microscopy Lab vid University of Maryland, Cumings sätter den lilla thrusteren i ett transmissionselektronmikroskop (TEM) - ett avancerat omfång som kan se saker ner till miljondelar av en meter. De såg på när droppen förlängdes och skärptes till en punkt, och började sedan avge joner. Då började de trädliknande defekterna dyka upp.

Tillbaka i bana

Forskarna säger att att räkna ut varför dessa grenade strukturer växer kan hjälpa till att förhindra att de bildas. Problemet uppstår när mikroskopets elektronik med hög energi exponerar vätskan för strålning, bryta några av bindningarna mellan atomer i jonerna. Detta skadar det smälta saltets molekylstruktur, så det gelar och hopar sig.

"Vi kunde se de dendritiska strukturerna ackumuleras i realtid, "Säger Terhune." Den specifika mekanismen behöver fortfarande undersökas, men detta kan ha betydelse för rymdfarkoster i miljöer med hög strålning. "

Han tillägger att mikroskopets elektronstråle är kraftfullare än naturliga inställningar, men gelningen kan påverka livslängden för elektrospraymotorer i djupt utrymme och geosynkrona banor där de flesta av planetens satelliter cirklar. Och du behöver inte vara en raketforskare för att veta att räkna ut fysiken för att förbättra den livstiden är en bra idé.