Spostare un nanosatellite nello spazio richiede solo una piccola quantità di spinta. Gli ingegneri della Michigan Technological University e dell'Università del Maryland hanno collaborato, mettere un razzo su scala nanometrica sotto un microscopio, e guardato cosa è successo.

Verso l'infinito e oltre con i nanosatelliti

Quando un satellite viene messo in orbita da un razzo, il suo viaggio è appena iniziato. Rilasciato nello spazio da solo, il satellite ha bisogno di un propulsore a bordo in modo che possa navigare nella posizione desiderata e poi rimanervi nonostante le molte cose che fanno del loro meglio per metterlo fuori rotta.

"Lo spazio non è il vuoto del nulla che molti di noi assumono, "dice Kurt Terhune, uno studente laureato in ingegneria meccanica e l'autore principale di un nuovo studio pubblicato in Nanotecnologia questa settimana. "Lo spazio in realtà ha una piccola quantità di atmosfera che causa resistenza, venti solari che spingono i satelliti fuori rotta e detriti spaziali che rappresentano un pericolo costante".

Ciò è particolarmente importante nella nuova era dell'esplorazione spaziale. Decine di aziende prevedono di lanciare migliaia di minuscoli satelliti, alcuni piccoli come scatole da scarpe, entro i prossimi cinque anni. Ciascuno di questi nanosatelliti avrà bisogno del suo piccolo propulsore. Una soluzione si presenta sotto forma di un propulsore elettrospray che Terhune studia insieme al suo consigliere, L. Brad King, il Professore Ron ed Elaine Starr di Ingegneria dei Sistemi Spaziali. I propellenti per questi propulsori sono chiamati "liquidi ionici, " che sono sali liquidi a temperatura ambiente.

"Proprio come il sale da cucina al cloruro di sodio che molti di noi apprezzano sulle patatine fritte, i liquidi ionici sono costituiti da un numero approssimativamente uguale di ioni caricati positivamente e negativamente, " Terhune dice, spiegando che i campi elettrici, fornito da batterie di veicoli spaziali, può esercitare forze su questi ioni ed espellerli nello spazio a grande velocità. Il fascio di ioni emesso può fornire la spinta delicata di cui ha bisogno il nanosatellite.

Motori elettrospray

Molti di questi minuscoli propulsori elettrospray imballati insieme potrebbero spingere un veicolo spaziale su grandi distanze, forse anche all'esopianeta più vicino. I propulsori Electrospray sono attualmente in fase di test sul LISA Pathfinder dell'Agenzia spaziale europea, che spera di posizionare gli oggetti nello spazio in modo così preciso da essere disturbati solo dalle onde gravitazionali.

Ma questi motori a goccioline hanno un problema:a volte formano punte aghiformi che interrompono il funzionamento del propulsore:ostacolano il flusso di ioni verso l'esterno e trasformano il liquido in solido. Terhune e King volevano scoprire come ciò accade effettivamente.

"La sfida è ottenere immagini di un materiale in presenza di un campo elettrico così forte, ecco perché ci siamo rivolti a John Cumings dell'Università del Maryland, "Re dice, spiegando che Cumings è noto per il suo lavoro con materiali impegnativi. Per rendere le cose più difficili, la punta della goccia può muoversi di alcuni micron mentre il propulsore è in funzione. Pochi micron sono una piccola distanza, ma rispetto alle caratteristiche che il team aveva bisogno di osservare, questo ha reso l'esperimento come cercare di trovare un ago in un pagliaio.

"Trovare l'effettiva punta in nanoscala della gocciolina con un microscopio elettronico è come cercare di guardare attraverso una cannuccia di soda per trovare un centesimo da qualche parte sul pavimento di una stanza, " dice King. "E se quel centesimo si muove, come fa la punta della goccia di sale fuso, quindi è fuori campo, e devi ricominciare a cercare tutto da capo."

Presso l'Advanced Imaging and Microscopy Lab dell'Università del Maryland, Cumings ha messo il piccolo propulsore in un microscopio elettronico a trasmissione (TEM), un cannocchiale avanzato in grado di vedere cose fino a milionesimi di metro. Guardarono come la goccia si allungava e si aguzzava fino a un punto, e poi ha iniziato a emettere ioni. Poi cominciarono a comparire i difetti simili ad alberi.

Di nuovo in orbita

I ricercatori affermano che capire perché queste strutture ramificate crescono potrebbe aiutare a prevenirne la formazione. Il problema si verifica quando il fascio di elettroni ad alta energia del microscopio espone il fluido alle radiazioni, rompendo alcuni dei legami tra gli atomi negli ioni. Questo danneggia la struttura molecolare del sale fuso, così si gelifica e si accumula.

"Siamo stati in grado di osservare le strutture dendritiche accumularsi in tempo reale, " dice Terhune. "Il meccanismo specifico deve ancora essere indagato, ma questo potrebbe avere importanza per i veicoli spaziali in ambienti ad alta radiazione".

Aggiunge che il raggio di elettroni del microscopio è più potente delle impostazioni naturali, ma la gelificazione potrebbe influenzare la durata dei motori elettrospray nello spazio profondo e nelle orbite geosincrone dove girano la maggior parte dei satelliti del pianeta. E non devi essere uno scienziato missilistico per sapere che capire la fisica per migliorare quella vita è una buona idea.