Brandon Jackson, un dottorando in ingegneria meccanica presso la Michigan Technological University, ha creato un nuovo modello computazionale di un propulsore elettrospray utilizzando ferrofluido liquido ionico, una tecnologia promettente per la propulsione di piccoli satelliti nello spazio. Nello specifico, Jackson cerca di simulare le dinamiche di avvio dell'elettrospray; in altre parole, ciò che conferisce al ferrofluido le sue punte caratteristiche.

È l'autore principale di un recente articolo in Fisica dei fluidi , "Deformazione dell'interfaccia ferrofluido liquido ionico e insorgenza di spruzzi sotto sollecitazioni elettriche e magnetiche".

Su nello spazio

più di 1, 300 satelliti attivi orbitano attorno alla Terra. Alcuni hanno le dimensioni di uno scuolabus, e altri sono molto più piccoli, le dimensioni di una scatola da scarpe o di uno smartphone.

I piccoli satelliti possono ora svolgere le missioni di veicoli spaziali molto più grandi e costosi, grazie ai progressi nei sistemi di calcolo e comunicazione satellitari. Però, i piccoli veicoli hanno ancora bisogno di un modo più efficiente per manovrare nello spazio.

Propulsori al plasma ridotti, come quelli dispiegati su satelliti di classe più grande, non funzionano bene. Un metodo più promettente di micropropulsione è l'elettrospray.

L'elettrospray coinvolge microscopico, aghi cavi che utilizzano l'elettricità per spruzzare sottili getti di fluido, spingendo la navicella nella direzione opposta. Ma gli aghi hanno degli svantaggi. sono intricati, costoso e facilmente distrutto.

Volare con Ferrofluidi

Risolvere questo problema, L. Brad King, Ron &Elaine Starr Professore di Sistemi Spaziali alla Michigan Tech, sta creando un nuovo tipo di micropropulsore che si assembla dal proprio propellente quando viene eccitato da un campo magnetico. Il piccolo propulsore non richiede aghi fragili ed è essenzialmente indistruttibile.

"Stiamo lavorando con un materiale unico chiamato ferrofluido liquido ionico, "Re dice, spiegando che è sia magnetico che ionico, un sale liquido "Quando mettiamo un magnete sotto una piccola pozza di ferrofluido, si trasforma in una bellissima struttura a riccio di cime allineate. Quando applichiamo un forte campo elettrico a quella serie di picchi, ognuno emette un singolo microgetto di ioni."

Il fenomeno è noto come instabilità di Rosensweig. Anche i picchi si curano da soli e ricrescono se sono in qualche modo danneggiati.

King ha avuto l'idea di utilizzare i ferrofluidi per i propulsori nel 2012. Stava cercando di creare un liquido ionico che si comportasse come un ferrofluido quando ha saputo di un gruppo di ricerca dell'Università di Sydney guidato da Brian Hawkett e Nirmesh Jain. Avevano sviluppato un ferrofluido da nanoparticelle magnetiche prodotte dalla società di scienze della vita Sirtex.

I primi lavori di King con il campione di ferrofluido furono puri tentativi ed errori; i risultati sono stati buoni, ma la fisica era poco conosciuta. Fu allora che l'Ufficio per la ricerca scientifica dell'aeronautica (AFOSR) diede a King un contratto per la ricerca sulla fisica dei fluidi del ferrofluido.

Propulsori elettrospray

Entra Jackson, il cui lavoro di dottorato è consigliato da King.

"In genere tra gli ingegneri, ci sono sperimentali che costruiscono e misurano le cose, oppure ci sono modellisti che simulano cose, " dice King. "Brandon eccelle in entrambi".

Lavorando al King's Ion Space Propulsion Laboratory, Jackson ha condotto uno studio sperimentale e computazionale sulla dinamica interfacciale del ferrofluido, e ha creato un modello computazionale di elettrospray ferrofluidi liquidi ionici.

"Volevamo sapere cosa ha portato all'instabilità delle emissioni in un singolo picco del micropropulsore ferrofluido, "Jackson dice, che ha sviluppato un modello per un singolo picco e ha condotto test rigorosi per garantire che il modello fosse corretto.

Il team ha acquisito una comprensione molto migliore delle relazioni tra magnetico, sollecitazioni elettriche e di tensione superficiale. Alcuni dei dati raccolti attraverso il modello li hanno sorpresi.

"Abbiamo appreso che il campo magnetico ha un grande effetto nel precondizionare lo stress elettrico del fluido, "Jackson dice, spiegare questa scoperta potrebbe portare a una migliore comprensione dei comportamenti unici degli elettrospray ferrofluidi.

Verso l'infinito e oltre

L'AFOSR ha recentemente assegnato a King un secondo contratto per continuare la ricerca sulla fisica dei ferrofluidi, e lui dice, "Ora possiamo prendere ciò che abbiamo imparato, e invece di modellare un singolo picco, lo scaleremo e modelleremo più picchi."

La loro prossima serie di esperimenti sarà più simile a un propulsore, anche se un propulsore funzionante è ancora lontano diversi anni. Pur facendo 100 picchi o più, tutti spingendo allo stesso modo, sarà molto più impegnativo.

"Spesso in laboratorio avremo una vetta funzionante e altre 99 oziare. Il modello di Brandon sarà uno strumento vitale per il team in futuro, " King dice. "Se abbiamo successo, il nostro propulsore consentirà la produzione di massa di piccoli satelliti economici dotati di propulsione propria. Ciò potrebbe migliorare il telerilevamento per una migliore modellazione del clima, o fornire una migliore connettività Internet, che tre miliardi di persone nel mondo ancora non hanno”.

La squadra ha anche iniziato a collaborare con Juan Fernandez de la Mora, professore di ingegneria meccanica e scienza dei materiali alla Yale University, uno dei massimi esperti mondiali di elettrospray.

Oltre alla propulsione spaziale, la tecnologia elettrospray ferrofluido potrebbe essere utile in spettrometria, produzione farmaceutica, e nanofabbricazione. Michigan Tech ha un brevetto in sospeso per la tecnologia.