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在显微镜下研究纳米火箭

时间:2016年08月10日 信息来源:中国科技网 点击: 【字体:

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让一颗纳米卫星在太空中移动,只需要很小的推力。来自密歇根理工大学和马里兰大学的工程师们联手,将纳米级火箭放在显微镜下,进行了深度研究,观察它是如何工作的。

纳米卫星的延续和超越

当一颗卫星被火箭送入轨道时,它的旅程才刚刚开始。如果它想凭一己之力升入太空,那么该卫星则需要一个机载推进器,能将它导航到其所需的位置,然后停留在预定轨道,尽管太空中有很多阻碍因素,会竭尽所能使它偏离航线。

“太空不是我们想象的那样,所谓真空不是空的虚无状态,” 机械工程专业研究生,研究论文的主要作者库尔特 特休恩说,他将最新研究成果发表在了本周出版的《纳米技术》期刊上。“太空中有少量的大气会给卫星带来阻力,太阳风会让卫星偏离航线,太空垃圾也会持续不断地制造麻烦。”

这些问题在新的太空探索时代特别重要。目前,已经有几十家公司计划在未来五年内推出几千个微型卫星,其中的一部分只有鞋盒大小。每一个纳米卫星都需要自己的微型推进器。一个解决方案电推进器,特休恩与他的导师,航天系统工程教授L. 布拉德 金,罗恩和伊莱恩 斯塔尔一起进行研究工作。这些推进器的推进剂被称为“离子液体”,是一种室温液体盐。

“就像我们吃薯条时用的氯化钠食盐一样,离子液体主要是由数量大致相等的正负带电离子组成的,”特休恩说,通过航天器电池供电的电场,能够对这些离子施加作用力,将它们以极快的速度推进到太空。喷射的离子束可以提供卫星所需的合适的推力。

电喷射引擎

多个微型电喷射推进器绑定在一起,能够将宇宙飞船推进到相当遥远的距离,甚至可以到达最近的系外行星。目前,电喷射推进器正在欧洲航天局的LISA探路者任务上进行测试,以期在太空中精准地平衡物体,使它们只受引力波的扰动。

但是这些液滴引擎也存在一个问题:它们有时候会形成针尖状,扰乱推进器的工作方式——它们会挡住离子向外流动的路线,并将液体变成固体。特休恩和金想弄清楚这种情况发生的原因。

“我们面临的挑战是在这样一个强电场作用下获得材料的图像,这就是为什么我们要求助于马里兰大学的约翰 卡明斯,”金说,卡明斯在挑战性材料的研究方面很有建树。在马里兰大学先进显微成像技术实验室,卡明斯将微型推进器放在透射电子显微镜(TEM)下,这是一个更高级的显微镜,分辨力可达几微米。他们观察到液滴拉长并形成针尖状,接下来开始发射离子。这时候出现了树状的缺陷。

回到轨道上

研究人员说,弄清楚为什么会形成这些分叉结构,就可以防止它们的形成。问题发生的原因是,显微镜的高能电子束使流体呈现出放射状,打破了离子中原子之间的一些化学键。这损害了熔盐的分子结构,所以它形成胶体并堆叠加起来。

“我们能够实时观察到树状结构的形成,” 特休恩说。具体机制仍然需要进行调查,这对于身处高辐射环境下的航天器来说非常重要。”

他补充说,虽然显微镜的电子束比自然环境中的更强大,但凝胶作用也能影响位于外层空间和地球同步轨道的电喷射引擎的寿命。


(作者:张微编译)
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