Поскольку у Луны и других безвоздушных тел, таких как астероиды, отсутствует атмосфера, они могут создавать электрическое поле за счет прямого воздействия солнца и окружающей плазмы. На Луне этот поверхностный заряд достаточно силен, чтобы поднимать пыль более чем на 1 метр над землей, подобно тому, как статическое электричество может заставить волосы человека встать дыбом.

Инженеры из НАСА и других стран недавно предложили использовать этот естественный поверхностный заряд для левитации планера с крыльями, сделанными из майлара, материала, который естественным образом удерживает тот же заряд, что и поверхности безвоздушных тел. Они рассудили, что одинаково заряженные поверхности должны отталкиваться друг от друга с силой, которая отрывает планер от земли. Но такая конструкция, скорее всего, была бы ограничена небольшими астероидами, поскольку более крупные планетные тела обладали бы более сильным противодействующим гравитационным притяжением.

Левитирующий марсоход команды Массачусетского технологического института потенциально мог бы обойти это ограничение по размерам. Концепция, напоминающая дискообразную летающую тарелку в ретро-стиле, использует крошечные ионные лучи как для зарядки транспортного средства, так и для повышения естественного заряда поверхности. Общий эффект рассчитан на создание относительно большой силы отталкивания между транспортным средством и землей таким образом, что требуется очень мало энергии. В первоначальном технико-экономическом обосновании исследователи показывают, что такой ионный импульс должен быть достаточно сильным, чтобы поднять небольшой 2-фунтовый аппарат на Луну и большие астероиды, такие как Психея.

"Мы думаем использовать это подобно миссиям "Хаябуса", которые были запущены японским космическим агентством", - говорит ведущий автор Оливер Джиа-Ричардс, аспирант кафедры аэронавтики и астронавтики Массачусетского технологического института. "Этот космический корабль вращался вокруг небольшого астероида и доставил на его поверхность небольшие марсоходы. Аналогичным образом, мы думаем, что будущая миссия могла бы отправить небольшие парящие марсоходы для исследования поверхности Луны и других астероидов ".

Результаты работы команды опубликованы в текущем выпуске Журнал космических аппаратов и ракет. Соавторами Джиа-Ричардс являются Пауло Лозано, профессор аэронавтики и астронавтики имени М. Алемана-Веласко и директор лаборатории космического движения Массачусетского технологического института; и бывший приглашенный студент Себастьян Хэмпл, ныне работающий в Университете Макгилла.

Ионная сила

Левитирующий дизайн команды основан на использовании миниатюрных ионных двигателей, называемых ионно-жидкостными источниками ионов. Эти маленькие насадки, изготовленные на микроуровне, соединены с резервуаром, содержащим ионную жидкость в виде расплавленной соли комнатной температуры. При подаче напряжения ионы жидкости заряжаются и испускаются в виде луча через сопла с определенной силой.

Команда Лозано стала пионером в разработке ионных двигателей и использовала их в основном для приведения в движение и физического маневрирования небольшими спутниками в космосе. Недавно Лозано ознакомился с исследованиями, показывающими левитирующий эффект заряженной поверхности Луны на лунную пыль. Он также рассмотрел конструкцию электростатического планера НАСА и задался вопросом: может ли марсоход, оснащенный ионными двигателями, создавать достаточную отталкивающую электростатическую силу, чтобы зависать на Луне и более крупных астероидах?

Чтобы проверить эту идею, команда сначала смоделировала небольшой дискообразный ровер с ионными двигателями, которые заряжали транспортное средство самостоятельно. Они смоделировали двигатели так, чтобы они излучали отрицательно заряженные ионы из транспортного средства, что эффективно придавало транспортному средству положительный заряд, подобный положительно заряженной поверхности Луны. Но они обнаружили, что этого было недостаточно, чтобы оторвать транспортное средство от земли.

"Тогда мы подумали, что, если мы перенесем наш собственный заряд на поверхность, чтобы дополнить его естественный заряд?" Говорит Джиа-Ричардс.

Направив дополнительные двигатели на землю и излучая положительные ионы для усиления заряда поверхности, команда пришла к выводу, что толчок может создать большую силу против марсохода, достаточную для того, чтобы оторвать его от земли. Они составили простую математическую модель для сценария и обнаружили, что, в принципе, это может сработать.

Основываясь на этой простой модели, команда предсказала, что небольшой марсоход весом около двух фунтов сможет достичь левитации на высоте около одного сантиметра от земли на большом астероиде, таком как Психея, используя источник ионов мощностью 10 киловольт. Чтобы получить аналогичный старт на Луне, тому же марсоходу понадобился бы источник мощностью 50 киловольт.

"Такой ионный дизайн потребляет очень мало энергии для создания большого напряжения", - объясняет Лозано. "Необходимая мощность настолько мала, что вы могли бы сделать это почти бесплатно".

В подвешенном состоянии

Чтобы убедиться, что модель отражает то, что может произойти в реальной среде в космосе, они запустили простой сценарий в лаборатории Лозано. Исследователи изготовили небольшой шестиугольный тестовый аппарат весом около 60 граммов и размером примерно с человеческую ладонь. Они установили один ионный двигатель, направленный вверх, и четыре, направленные вниз, а затем подвесили транспортное средство над алюминиевой поверхностью на двух пружинах, откалиброванных для противодействия гравитационной силе Земли. Вся установка была помещена в вакуумную камеру для имитации безвоздушной среды Луны и астероидов.

Исследователи также подвесили вольфрамовый стержень к пружинам эксперимента и использовали его смещение, чтобы измерить, какую силу создавали двигатели при каждом запуске. Они прикладывали различные напряжения к двигателям и измеряли результирующие силы, которые затем использовали для расчета высоты, на которой мог бы левитировать только автомобиль. Они обнаружили, что эти экспериментальные результаты совпадают с предсказаниями того же сценария из их модели, что дает им уверенность в том, что ее прогнозы относительно зависания марсохода на Психее и Луне были реалистичными.

Текущая модель предназначена для прогнозирования условий, необходимых для простого достижения левитации, которая оказалась примерно в 1 сантиметре от земли для 2-фунтового транспортного средства. Ионные двигатели могли бы генерировать больше силы при большем напряжении, чтобы поднять транспортное средство выше от земли. Но Джиа-Ричардс говорит, что модель нуждается в пересмотре, поскольку она не учитывает, как будут вести себя испускаемые ионы на больших высотах.

"В принципе, при более качественном моделировании мы могли бы подниматься на гораздо большие высоты", - говорит он.

В этом случае, по словам Лозано, в будущих миссиях на Луну и астероиды могут быть задействованы марсоходы, использующие ионные двигатели для безопасного зависания и маневрирования над неизвестной, неровной местностью.

"С левитирующим ровером вам не нужно беспокоиться о колесах или движущихся частях", - говорит Лозано. "Рельеф астероида может быть совершенно неровным, и до тех пор, пока у вас есть управляемый механизм, удерживающий ваш марсоход на плаву, вы можете двигаться по очень пересеченной, неисследованной местности, не уклоняясь от астероида физически".

Это исследование было частично поддержано НАСА.