Brandon Jackson, en doktorand i maskinteknik vid Michigan Technological University, har skapat en ny beräkningsmodell av en elektrosprutpropeller med hjälp av jonisk flytande ferrofluid - en lovande teknik för att driva små satelliter genom rymden. Specifikt, Jackson tittar på att simulera dynamiken i elektrospraystart; med andra ord, vad ger ferrofluiden dess karakteristiska spikar.

Han är huvudförfattare till en ny artikel i Vätskans fysik , "Jonisk flytande ferrofluidgränssnittsdeformation och sprutstart vid elektriska och magnetiska påfrestningar".

Upp i rymden

Mer än 1, 300 aktiva satelliter kretsar kring jorden. Vissa är lika stora som en skolbuss, och andra är mycket mindre, storleken på en skokartong eller en smart telefon.

Små satelliter kan nu utföra uppdrag av mycket större och dyrare rymdfarkoster, på grund av framsteg inom satellitberäknings- och kommunikationssystem. Dock, de små fordonen behöver fortfarande ett effektivare sätt att manövrera i rymden.

Nedskalade plasmatruster, som de som används på satelliter av större klass, fungerar inte bra. En mer lovande metod för mikropropulsion är elektrospray.

Elektrospray innefattar mikroskopisk, ihåliga nålar som använder elektricitet för att spruta tunna vätskestrålar, skjuta rymdfarkosten i motsatt riktning. Men nålarna har nackdelar. De är invecklade, dyrt och lätt förstört.

Flyger med Ferrofluids

För att lösa det här problemet, L. Brad King, Ron &Elaine Starr Professor i rymdsystem vid Michigan Tech, skapar en ny typ av mikrotruster som monterar sig ur sitt eget drivmedel när den exciteras av ett magnetfält. Den lilla thrusteren kräver inga ömtåliga nålar och är i huvudsak oförstörbar.

"Vi arbetar med ett unikt material som kallas en jonisk flytande ferrofluid, "King säger, förklarar att det är både magnetiskt och joniskt, ett flytande salt. "När vi sätter en magnet under en liten pool av ferrofluid, det förvandlas till en vacker igelkottstruktur av inriktade toppar. När vi tillämpar ett starkt elektriskt fält på den mängd toppar, var och en avger en individuell mikrostråle av joner. "

Fenomenet är känt som en Rosensweig -instabilitet. Topparna läker också sig själva och växer igen om de på något sätt skadas.

King kom på idén att använda ferrofluids för thrusters 2012. Han försökte göra en jonisk vätska som betedde sig som en ferrofluid när han fick veta om ett forskargrupp vid University of Sydney under ledning av Brian Hawkett och Nirmesh Jain. De hade utvecklat en ferrofluid från magnetiska nanopartiklar tillverkade av life science -företaget Sirtex.

Kings tidiga arbete med ferrofluidprovet var ren försök och fel; resultaten var bra, men fysiken var dåligt förstådd. Det var då Air Force Office of Scientific Research (AFOSR) gav King ett kontrakt för att undersöka ferrofluids vätskefysik.

Electrospray Thrusters

Ange Jackson, vars doktorandarbete råds av Kungl.

"Vanligtvis bland ingenjörer, det finns experimenter som bygger och mäter saker, eller det finns modellerare som simulerar saker, "King säger." Brandon utmärker sig på båda. "

Jobbar på King's Ion Space Propulsion Laboratory, Jackson genomförde en experimentell och beräknad studie om ferrofluidens gränssnittsdynamik, och skapade en beräkningsmodell för joniska flytande ferrofluid -elektrosprayer.

"Vi ville lära oss vad som ledde till instabilitet i utsläpp i en enda topp av ferrofluidmikrotruster, "Jackson säger, som utvecklade en modell för en enda topp och genomförde noggranna tester för att säkerställa att modellen var korrekt.

Teamet fick en mycket bättre förståelse för sambandet mellan magnetiska, elektriska och ytspänningar. Några av de data som samlats in genom modellen överraskade dem.

"Vi lärde oss att magnetfältet har en stor effekt vid förkonditionering av den elektriska vätskebelastningen, "Jackson säger, att förklara denna upptäckt kan leda till en bättre förståelse av ferrofluidelektrosprays unika beteende.

Mot oändligheten och vidare

AFOSR tilldelade King nyligen ett andra kontrakt för att fortsätta undersöka ferrofluids fysik, och han säger, "Nu kan vi ta det vi lärt oss, och istället för att modellera en enda topp, vi ska skala upp det och modellera flera toppar. "

Deras nästa uppsättning experiment kommer mer att likna en thruster, även om en arbetande thruster fortfarande är flera år bort. Även om det gör 100 toppar eller mer, alla skjuter identiskt, kommer att bli mycket mer utmanande.

"Ofta i labbet kommer vi att ha en topp på jobbet och 99 andra loafing. Brandons modell kommer att vara ett viktigt verktyg för laget framöver, "Säger kungen." Om vi ​​lyckas, vår thruster kommer att göra det möjligt att massproducera små billiga satelliter med egen framdrivning. Det kan förbättra fjärranalysen för bättre klimatmodellering, eller ge bättre internetuppkoppling, som tre miljarder människor i världen fortfarande inte har. "

Teamet har också börjat samarbeta med Juan Fernandez de la Mora, professor i maskinteknik och materialvetenskap vid Yale University, en av världens ledande experter inom elektrospray.

Förutom framdrivning av rymdfarkoster, ferrofluid electrospray -teknik kan vara användbar vid spektrometri, läkemedelsproduktion, och nanofabrication. Michigan Tech har ett patent på tekniken.