مهندسان ایده‌ای را برای ساخت یک سطح‌نورد معلق جدید آزمایش می‌کنند!!

تصویر مفهومی از مریخ نورد معلق. مهندسان هوافضای MIT در حال آزمایش مفهومی برای یک سطح‌نورد معلق هستند که با مهار بار طبیعی ماه معلق می‌شود. اعتبار: موسسه فناوری ماساچوست

مهندسان هوافضا در MIT در حال آزمایش یک مفهوم جدید برای یک مریخ نورد معلق هستند که با مهار بار طبیعی ماه معلق می شود.

ماه و دیگر اجرام بدون هوا مانند سیارک‌ها از آنجایی که جو ندارند، می‌توانند از طریق قرار گرفتن در معرض مستقیم خورشید و پلاسمای اطراف، میدان الکتریکی ایجاد کنند. در ماه، این بار سطحی به اندازه‌ای قوی است که گرد و غبار را بیش از 1 متر بالاتر از سطح زمین معلق کند، همان‌طور که الکتریسیته ساکن می‌تواند باعث سیخ شدن موهای فرد شود.

مهندسان ناسا و جاهای دیگر اخیراً پیشنهاد کرده‌اند که از این بار سطحی طبیعی برای معلق کردن یک گلایدر با بال‌های ساخته شده از مایلار استفاده کنند، ماده‌ای که به طور طبیعی همان بار سطوح روی اجسام بدون هوا را دارد. آنها استدلال کردند که سطوح دارای بار مشابه باید یکدیگر را با نیرویی دفع کنند که گلایدر را از زمین بلند می‌کند. اما چنین طرحی احتمالاً محدود به سیارک‌های کوچک خواهد بود، زیرا اجرام سیاره‌ای بزرگتر کشش گرانشی قوی‌تری دارند.

سطح‌نورد معلق تیم MIT به طور بالقوه می‌تواند این محدودیت اندازه را دور بزند. این کانسپت که شبیه بشقاب پرنده دیسکی شکل به سبک یکپارچه‌سازی با سیستم عامل است، از پرتوهای یونی ریز برای شارژ خودرو و افزایش بار طبیعی سطح استفاده می‌کند. به گونه‌ای طراحی شده است که نیروی دافعه نسبتا زیادی بین وسیله نقلیه و زمین ایجاد کند، به نحوی که به نیروی بسیار کمی نیاز دارد. در یک مطالعه امکان‌سنجی اولیه، محققان نشان می‌دهند که چنین تقویت‌کننده یونی باید به اندازه‌ای قوی باشد که بتواند یک وسیله نقلیه کوچک ۲ پوندی را روی ماه و سیارک‌های بزرگی مانند Psyche معلق کند.

اولیور جیا ریچاردز، نویسنده اصلی، دانشجوی کارشناسی ارشد در بخش هوانوردی و فضانوردی MIT، می‌گوید: «ما فکر می‌کنیم از این مانند مأموریت‌های هایابوسا که توسط آژانس فضایی ژاپن پرتاب شد، استفاده کنیم. آن فضاپیما در اطراف یک سیارک کوچک عمل می‌کرد و سطح‌نوردهای کوچکی را روی سطح آن مستقر می‌کرد. به طور مشابه، ما فکر می‌کنیم یک ماموریت آینده می‌تواند سطح‌نوردهای کوچک معلق را برای کاوش در سطح ماه و سایر سیارک‌ها بفرستد.

نیروی یونی

طراحی معلق تیم بر استفاده از رانشگرهای یونی مینیاتوری متکی است که منابع یونی مایع یونی نامیده می‌شوند. این نازل‌های کوچک و ریز ساخته شده به یک مخزن حاوی مایع یونی به شکل نمک مذاب در دمای اتاق متصل می‌شوند. هنگامی که یک ولتاژ اعمال می‌شود، یون‌های مایع شارژ می‌شوند و به صورت پرتویی از طریق نازل‌ها با نیروی معینی منتشر می‌شوند.

تیم لوزانو در توسعه رانشگرهای یونی پیشگام بوده و از آنها عمدتاً برای به حرکت درآوردن و مانور فیزیکی ماهواره‌های کوچک در فضا استفاده کرده است. اخیرا، لوزانو تحقیقاتی را مشاهده کرده بود که اثر شناور بودن سطح باردار ماه را روی غبار ماه نشان می‌داد. او همچنین طراحی گلایدر الکترواستاتیک توسط ناسا را ​​در نظر گرفت و تعجب کرد: آیا سطح‌نورد مجهز به رانشگر یونی می‌تواند نیروی دافعه و الکترواستاتیک کافی برای شناور شدن بر روی ماه و سیارک‌های بزرگتر تولید کند؟

برای آزمایش این ایده، تیم ابتدا یک سطح‌نورد کوچک به شکل دیسک را با پیشرانه‌های یونی مدل‌سازی کردند که به تنهایی خودرو را شارژ می‌کرد. آن‌ها پیشران‌ها را مدل‌سازی کردند تا یون‌های با بار منفی را از وسیله نقلیه به بیرون پرتاب کنند، که به طور موثر به وسیله نقلیه بار مثبتی مشابه سطح باردار مثبت ماه داد. اما آنها دریافتند که این برای پایین آوردن وسیله نقلیه کافی نیست.

“سپس فکر کردیم، اگر بار خود را به سطح انتقال دهیم تا بار طبیعی آن را تکمیل کنیم، چه؟”

با نشان دادن پیشرانه‌های اضافی به سمت زمین و پرتودهی یون‌های مثبت برای تقویت بار سطح، این تیم استدلال کرد که تقویت می‌تواند نیروی بزرگ‌تری را علیه سطح‌نورد ایجاد کند، به اندازه‌ای که آن را از زمین معلق کند. آنها یک مدل ریاضی ساده برای این سناریو ترسیم کردند و دریافتند که در اصل، می‌تواند کار کند.

بر اساس این مدل ساده، تیم پیش‌بینی کرد که یک سطح‌نورد کوچک با وزن حدود دو پوند می‌تواند با استفاده از یک منبع یونی 10 کیلوولتی روی سیارک بزرگی مانند Psyche به حرکت در حدود یک سانتی‌متر از زمین دست یابد. برای رسیدن به پرتاب مشابه در ماه، همان مریخ نورد به یک منبع 50 کیلوولتی نیاز دارد.

لوزانو توضیح می دهد: «این نوع طراحی یونی از توان بسیار کمی برای تولید ولتاژ زیاد استفاده می‌کند. نیروی مورد نیاز آنقدر کم است که می‌توانید این کار را تقریباً رایگان انجام دهید.

در حالت تعلیق

برای اطمینان از اینکه مدل نشان دهنده اتفاقاتی است که در یک محیط واقعی در فضا اتفاق می‌افتد، آنها یک سناریوی ساده را در آزمایشگاه لوزانو اجرا کردند. محققان یک وسیله نقلیه آزمایشی شش ضلعی کوچک با وزن حدود 60 گرم و اندازه کف دست انسان ساختند. آنها یک رانشگر یونی را به سمت بالا و چهار رانشگر را به سمت پایین نصب کردند و سپس وسیله نقلیه را روی سطح آلومینیومی از دو فنر کالیبره شده برای مقابله با نیروی گرانش زمین آویزان کردند. کل مجموعه در یک محفظه خلاء قرار داده شد تا محیط بدون هوای ماه و سیارک‌ها را شبیه‌سازی کند.

محققان همچنین یک میله تنگستن را آویزان کردند و از جابجایی آن برای اندازه گیری میزان نیرویی استفاده کردند که رانشگرها در هر بار شلیک تولید می‌کردند. آنها ولتاژهای مختلفی را به رانشگرها اعمال کردند و نیروهای حاصل را اندازه گرفتند و سپس از آن برای محاسبه ارتفاع وسیله نقلیه به تنهایی استفاده کردند. آنها دریافتند که این نتایج تجربی با پیش‌بینی‌های مربوط به همان سناریو از مدلشان مطابقت دارد و به آنها اطمینان می‌دهد که پیش‌بینی‌های آن برای شناور کردن یک مریخ نورد بر روی روان و ماه واقع‌بینانه است.

مدل فعلی برای پیش‌بینی شرایط مورد نیاز برای دستیابی به شناور طراحی شده است، که اتفاقاً برای یک وسیله نقلیه 2 پوندی حدود 1 سانتی‌متر از سطح زمین فاصله داشت. رانشگرهای یونی می‌توانند نیروی بیشتری را با ولتاژ بزرگتر برای بلند کردن وسیله نقلیه از سطح زمین تولید کنند. اما جیا ریچاردز می‌گوید که این مدل نیاز به بازنگری دارد، زیرا نحوه رفتار یون‌های ساطع شده در ارتفاعات را در نظر نمی‌گیرد.

او می‌گوید: «در اصل، با مدل‌سازی بهتر، می‌توانیم به ارتفاعات بسیار بالاتری حرکت کنیم.

در این صورت، لوزانو می‌گوید ماموریت‌های آینده به ماه و سیارک‌ها می‌توانند سطح‌نوردهایی را مستقر کنند که از رانشگرهای یونی برای شناور شدن و مانور ایمن بر روی زمین‌های ناهموار و ناشناخته استفاده می‌کنند.

لوزانو می گوید: «با یک مریخ نورد معلق، لازم نیست نگران چرخ‌ها یا قطعات متحرک باشید. سطح یک سیارک می‌تواند کاملاً ناهموار باشد و تا زمانی که مکانیزم کنترل شده‌ای برای شناور نگه داشتن سطح‌نورد خود داشته باشید، می‌توانید از زمین‌های بسیار ناهموار و ناشناخته عبور کنید، بدون اینکه نیازی به طفره رفتن فیزیکی از سیارک داشته باشید.

ترجمه: سارا سیدحاتمی

منبع:

Engineers test an idea for a new hovering rover

by Jennifer Chu, Massachusetts Institute of Technology DECEMBER 21, 2021

https://phys.org/news/2021-12-idea-rover.html