Brandon Jackson, un candidato a doctorado en ingeniería mecánica en la Universidad Tecnológica de Michigan, ha creado un nuevo modelo computacional de un propulsor de electropulverización que utiliza ferrofluido líquido iónico, una tecnología prometedora para impulsar pequeños satélites a través del espacio. Específicamente, Jackson busca simular la dinámica de inicio de electrospray; en otras palabras, lo que le da al ferrofluido sus característicos picos.

Es el autor principal de un artículo reciente en Física de fluidos , "Deformación de la interfaz de ferrofluido líquido iónico y inicio de la pulverización bajo tensiones eléctricas y magnéticas".

Arriba en el espacio

Más de 1, 300 satélites activos orbitan la Tierra. Algunos son del tamaño de un autobús escolar, y otros son mucho más pequeños, del tamaño de una caja de zapatos o un teléfono inteligente.

Los satélites pequeños ahora pueden realizar las misiones de naves espaciales mucho más grandes y caras, debido a los avances en los sistemas de comunicaciones y computación por satélite. Sin embargo, los pequeños vehículos todavía necesitan una forma más eficiente de maniobrar en el espacio.

Propulsores de plasma reducidos, como los desplegados en satélites de clase más grande, no funciona bien. Un método de micropropulsión más prometedor es la electropulverización.

La electropulverización implica microscópicos, agujas huecas que usan electricidad para rociar finos chorros de fluido, empujando la nave espacial en la dirección opuesta. Pero las agujas tienen inconvenientes. Son intrincados caro y fácilmente destruible.

Volar con ferrofluidos

Para resolver este problema, L. Brad King, Ron y Elaine Starr Profesores en Sistemas Espaciales en Michigan Tech, está creando un nuevo tipo de micropropulsor que se ensambla a sí mismo con su propio propulsor cuando es excitado por un campo magnético. El pequeño propulsor no requiere agujas frágiles y es esencialmente indestructible.

"Estamos trabajando con un material único llamado ferrofluido líquido iónico, "King dice, explicando que es tanto magnético como iónico, una sal líquida. "Cuando colocamos un imán debajo de un pequeño charco de ferrofluido, se convierte en una hermosa estructura de erizo de picos alineados. Cuando aplicamos un campo eléctrico fuerte a ese conjunto de picos, cada uno emite un micro-chorro de iones individual ".

El fenómeno se conoce como inestabilidad de Rosensweig. Los picos también se curan a sí mismos y vuelven a crecer si están dañados de alguna manera.

King tuvo la idea de usar ferrofluidos para propulsores en 2012. Estaba tratando de hacer un líquido iónico que se comportara como un ferrofluido cuando se enteró de un equipo de investigación en la Universidad de Sydney dirigido por Brian Hawkett y Nirmesh Jain. Habían desarrollado un ferrofluido a partir de nanopartículas magnéticas fabricadas por la empresa de ciencias biológicas Sirtex.

El trabajo inicial de King con la muestra de ferrofluido fue puro ensayo y error; los resultados fueron buenos, pero la física era poco conocida. Fue entonces cuando la Oficina de Investigación Científica de la Fuerza Aérea (AFOSR) le otorgó a King un contrato para investigar la física de fluidos de ferrofluidos.

Propulsores de electropulverización

Entra Jackson, cuyo trabajo de doctorado es asesorado por King.

"Normalmente, entre ingenieros, hay experimentadores que construyen y miden cosas, o hay modeladores que simulan cosas, "King dice." Brandon sobresale en ambos ".

Trabajando en el Laboratorio de Propulsión Espacial Ion de King, Jackson realizó un estudio experimental y computacional sobre la dinámica interfacial del ferrofluido, y creó un modelo computacional de electrospray de ferrofluidos líquidos iónicos.

"Queríamos saber qué conducía a la inestabilidad de las emisiones en un solo pico del microtorres de ferrofluido, "Jackson dice, quien desarrolló un modelo para un solo pico y realizó pruebas rigurosas para garantizar que el modelo fuera correcto.

El equipo obtuvo una mejor comprensión de las relaciones entre magnéticos, tensiones eléctricas y de tensión superficial. Algunos de los datos recopilados a través del modelo los sorprendieron.

"Aprendimos que el campo magnético tiene un gran efecto en el preacondicionamiento de la tensión eléctrica del fluido, "Jackson dice, Explicar este descubrimiento podría conducir a una mejor comprensión de los comportamientos únicos de los electrospray de ferrofluidos.

Hasta el infinito y más allá

La AFOSR recientemente otorgó a King un segundo contrato para continuar investigando la física de los ferrofluidos, y el dice, "Ahora podemos tomar lo que hemos aprendido, y en lugar de modelar un solo pico, lo escalaremos y modelaremos múltiples picos ".

Su próxima serie de experimentos será más como un propulsor, aunque todavía faltan varios años para un propulsor que funcione. Aunque haga 100 picos o más, todos empujando de forma idéntica, será mucho más desafiante.

"A menudo, en el laboratorio tendremos un máximo de trabajo y otros 99 holgazaneando. El modelo de Brandon será una herramienta vital para el equipo en el futuro, "King dice." Si tenemos éxito, Nuestro propulsor permitirá la producción en masa de pequeños satélites económicos con propulsión propia. Eso podría mejorar la teledetección para un mejor modelado del clima, o proporcionar una mejor conectividad a Internet, que tres mil millones de personas en el mundo todavía no tienen ".

El equipo también ha comenzado a colaborar con Juan Fernández de la Mora, profesor de ingeniería mecánica y ciencia de los materiales en la Universidad de Yale, uno de los principales expertos en electrospray del mundo.

Además de la propulsión de la nave espacial, La tecnología de electrospray de ferrofluidos podría ser útil en espectrometría, producción farmacéutica, y nanofabricación. Michigan Tech tiene una patente pendiente para la tecnología.