Brandon Jackson, candidato a doutorado em engenharia mecânica na Michigan Technological University, criou um novo modelo computacional de um propulsor de eletrospray usando ferrofluido líquido iônico - uma tecnologia promissora para impulsionar pequenos satélites através do espaço. Especificamente, Jackson analisa a simulação da dinâmica de inicialização do eletrospray; em outras palavras, o que dá ao ferrofluido seus picos característicos.

Ele é o autor principal de um artigo recente em Física dos Fluidos , "Deformação da interface do ferrofluido líquido iônico e início da pulverização sob tensões elétricas e magnéticas".

No espaço

Mais de 1, 300 satélites ativos orbitam a Terra. Alguns são do tamanho de um ônibus escolar, e outros são bem menores, do tamanho de uma caixa de sapatos ou um smartphone.

Pequenos satélites agora podem realizar as missões de espaçonaves muito maiores e mais caras, devido aos avanços nos sistemas computacionais e de comunicação por satélite. Contudo, os veículos minúsculos ainda precisam de uma maneira mais eficiente de manobrar no espaço.

Propulsores de plasma em escala reduzida, como aqueles implantados em satélites de classe maior, não funcionam bem. Um método mais promissor de micropropulsão é o eletropulverização.

Eletrospray envolve microscópico, agulhas ocas que usam eletricidade para borrifar jatos finos de fluido, empurrando a nave espacial na direção oposta. Mas as agulhas têm desvantagens. Eles são intrincados, caro e facilmente destruído.

Voando com ferrofluidos

Para resolver este problema, L. Brad King, Ron &Elaine Starr Professor em Sistemas Espaciais na Michigan Tech, está criando um novo tipo de micro-propulsor que se monta a partir de seu próprio propelente quando excitado por um campo magnético. O minúsculo propulsor não requer agulhas frágeis e é essencialmente indestrutível.

"Estamos trabalhando com um material único chamado ferrofluido líquido iônico, "King diz, explicando que é magnético e iônico, um sal líquido. "Quando colocamos um ímã embaixo de uma pequena poça de ferrofluido, ele se transforma em uma bela estrutura ouriço de picos alinhados. Quando aplicamos um forte campo elétrico a essa matriz de picos, cada um emite um microjato individual de íons. "

O fenômeno é conhecido como instabilidade de Rosensweig. Os picos também se curam e crescem novamente se forem danificados de alguma forma.

King teve a ideia de usar ferrofluidos para propulsores em 2012. Ele estava tentando fazer um líquido iônico que se comportasse como um ferrofluido quando soube de uma equipe de pesquisa da Universidade de Sydney liderada por Brian Hawkett e Nirmesh Jain. Eles desenvolveram um ferrofluido a partir de nanopartículas magnéticas feitas pela empresa de ciências da vida Sirtex.

O trabalho inicial de King com a amostra de ferrofluido foi pura tentativa e erro; os resultados foram bons, mas a física era mal compreendida. Foi quando o Escritório de Pesquisa Científica da Força Aérea (AFOSR) deu a King um contrato para pesquisar a física dos fluidos do ferrofluido.

Propulsores de electrospray

Entra Jackson, cujo trabalho de doutorado é aconselhado por King.

"Normalmente entre engenheiros, existem experimentalistas que constroem e medem coisas, ou há modeladores que simulam coisas, "King diz." Brandon é excelente em ambos. "

Trabalhando no Laboratório de Propulsão Espacial de Íons de King, Jackson conduziu um estudo experimental e computacional sobre a dinâmica interfacial do ferrofluido, e criou um modelo computacional de eletrosprays de ferrofluido líquido iônico.

"Queríamos saber o que levou à instabilidade de emissão em um único pico do microtransmissor de ferrofluido, "Jackson diz, que desenvolveu um modelo para um único pico e conduziu testes rigorosos para garantir que o modelo estava correto.

A equipe obteve uma compreensão muito melhor das relações entre os sistemas magnéticos, tensões elétricas e de tensão superficial. Alguns dos dados coletados por meio do modelo os surpreenderam.

"Aprendemos que o campo magnético tem um grande efeito no pré-condicionamento do estresse elétrico do fluido, "Jackson diz, explicar esta descoberta pode levar a uma melhor compreensão dos comportamentos únicos dos eletrosprays de ferrofluido.

Ao infinito e além

O AFOSR recentemente concedeu a King um segundo contrato para continuar pesquisando a física dos ferrofluidos, e ele diz, "Agora podemos pegar o que aprendemos, e em vez de modelar um único pico, vamos aumentá-lo e modelar vários picos. "

Seu próximo conjunto de experimentos será mais como um propulsor, embora um propulsor em funcionamento ainda esteja a vários anos de distância. Apesar de fazer 100 picos ou mais, todos empurrando de forma idêntica, será muito mais desafiador.

"Muitas vezes, no laboratório, teremos um pico trabalhando e 99 outros vagando. O modelo de Brandon será uma ferramenta vital para a equipe no futuro, "King diz." Se tivermos sucesso, nosso propulsor permitirá que pequenos satélites baratos com sua própria propulsão sejam produzidos em massa. Isso poderia melhorar o sensoriamento remoto para uma melhor modelagem do clima, ou fornecer melhor conectividade com a Internet, que três bilhões de pessoas no mundo ainda não têm. "

A equipe também começou a colaborar com Juan Fernandez de la Mora, professor de engenharia mecânica e ciência dos materiais na Universidade de Yale, um dos maiores especialistas mundiais em electrospray.

Além da propulsão da nave espacial, a tecnologia de eletrospray de ferrofluido pode ser útil em espectrometria, produção farmacêutica, e nanofabricação. Michigan Tech tem uma patente pendente para a tecnologia.