Mover un nanosatélite en el espacio requiere solo una pequeña cantidad de empuje. Los ingenieros de la Universidad Tecnológica de Michigan y la Universidad de Maryland se unieron, poner un cohete a nanoescala bajo un microscopio, y vio lo que sucedió.

Hacia el infinito y más allá con los nanosatélites

Cuando un satélite es puesto en órbita por un cohete, su viaje acaba de comenzar. Lanzado al espacio por sí solo, el satélite necesita un propulsor a bordo para que pueda navegar a la ubicación deseada y luego permanecer allí a pesar de las muchas cosas que hacen todo lo posible para desviarlo de su curso.

"El espacio no es el vacío de la nada que muchos de nosotros asumimos, "dice Kurt Terhune, estudiante de posgrado en ingeniería mecánica y autor principal de un nuevo estudio publicado en Nanotecnología esta semana. "En realidad, el espacio tiene una pequeña cantidad de atmósfera que causa arrastre, vientos solares que empujan a los satélites fuera de curso y desechos espaciales que presentan un peligro constante ".

Esto es especialmente importante en la nueva era de la exploración espacial. Decenas de empresas planean lanzar miles de satélites diminutos, algunos tan pequeños como cajas de zapatos, en los próximos cinco años. Cada uno de estos nanosatélites necesitará su propio propulsor diminuto. Una solución viene en forma de un propulsor de electropulverización que Terhune estudia junto con su asesor, L. Brad King, el profesor Ron y Elaine Starr de Ingeniería de Sistemas Espaciales. Los propulsores de estos propulsores se denominan "líquidos iónicos, "que son sales líquidas a temperatura ambiente.

"Al igual que la sal de mesa de cloruro de sodio que muchos de nosotros disfrutamos en las papas fritas, Los líquidos iónicos se componen de aproximadamente el mismo número de iones cargados positiva y negativamente, "Terhune dice, explicando que los campos eléctricos, suministrado por baterías de naves espaciales, puede ejercer fuerzas sobre estos iones y expulsarlos al espacio a gran velocidad. El haz de iones emitido puede proporcionar el empuje suave que necesita el nanosatélite.

Motores de electropulverización

Muchos de estos diminutos propulsores de electropulverización empaquetados podrían propulsar una nave espacial a grandes distancias, tal vez incluso al exoplaneta más cercano. Los propulsores de electropulverización se están probando actualmente en el LISA Pathfinder de la Agencia Espacial Europea, que espera equilibrar los objetos en el espacio con tanta precisión que solo sean perturbados por ondas gravitacionales.

Pero estos motores de gotas tienen un problema:a veces forman picos en forma de agujas que interrumpen la forma en que funciona el propulsor; se interponen en el camino de los iones que fluyen hacia afuera y convierten el líquido en sólido. Terhune y King querían saber cómo sucede esto realmente.

"El desafío es obtener imágenes de un material en presencia de un campo eléctrico tan fuerte, por eso recurrimos a John Cumings de la Universidad de Maryland, "King dice, explicando que Cumings es conocido por su trabajo con materiales desafiantes. Para hacer las cosas más difíciles la punta de la gota puede moverse unas pocas micras mientras el propulsor está funcionando. Unas pocas micras es una pequeña distancia, pero en comparación con las características que el equipo necesitaba observar, esto hizo que el experimento fuera como intentar encontrar una aguja en un pajar.

"Encontrar la punta de la gota a nanoescala real con un microscopio electrónico es como intentar mirar a través de una pajita de refresco para encontrar un centavo en algún lugar del suelo de una habitación, "King dice". Y si ese centavo se mueve, como lo hace la punta de la gota de sal fundida, luego está fuera de cámara, y tienes que empezar a buscar de nuevo ".

En el Laboratorio de Microscopía e Imágenes Avanzadas de la Universidad de Maryland, Cumings colocó el diminuto propulsor en un microscopio electrónico de transmisión (TEM), un alcance avanzado que puede ver cosas hasta una millonésima parte de un metro. Vieron como la gota se alargaba y se afilaba hasta un punto, y luego comenzó a emitir iones. Entonces empezaron a aparecer los defectos en forma de árbol.

De vuelta en órbita

Los investigadores dicen que averiguar por qué crecen estas estructuras ramificadas podría ayudar a evitar que se formen. El problema ocurre cuando el haz de electrones de alta energía del microscopio expone el fluido a la radiación, rompiendo algunos de los enlaces entre átomos en los iones. Esto daña la estructura molecular de la sal fundida, por lo que se gelifica y se amontona.

"Pudimos observar la acumulación de estructuras dendríticas en tiempo real, ", Dice Terhune." El mecanismo específico aún necesita ser investigado, pero esto podría tener importancia para las naves espaciales en entornos de alta radiación ".

Agrega que el haz de electrones del microscopio es más poderoso que los entornos naturales, pero la gelificación podría afectar la vida útil de los motores de electropulverización en el espacio profundo y las órbitas geosincrónicas donde circulan la mayoría de los satélites del planeta. Y no es necesario ser un científico espacial para saber que descubrir la física para mejorar esa vida es una buena idea.