Insinyur MIT menguji ide untuk penjelajah melayang baru – Majalah Time.com

Insinyur kedirgantaraan di MIT sedang menguji konsep baru untuk penjelajah melayang yang melayang dengan memanfaatkan muatan alami bulan.

Karena tidak memiliki atmosfer, bulan dan benda tanpa udara lainnya seperti asteroid dapat membangun medan listrik melalui paparan langsung ke matahari dan plasma di sekitarnya. Di bulan, muatan permukaan ini cukup kuat untuk mengangkat debu lebih dari 1 meter di atas tanah, seperti listrik statis yang dapat menyebabkan rambut seseorang berdiri.

Insinyur di NASA dan di tempat lain baru-baru ini mengusulkan pemanfaatan muatan permukaan alami ini untuk melayangkan glider dengan sayap yang terbuat dari Mylar, bahan yang secara alami memiliki muatan yang sama seperti permukaan pada badan tanpa udara. Mereka beralasan bahwa permukaan yang bermuatan sama harus saling tolak, dengan kekuatan yang mengangkat glider dari tanah. Tetapi desain seperti itu kemungkinan akan terbatas pada asteroid kecil, karena benda planet yang lebih besar akan memiliki tarikan gravitasi yang lebih kuat dan menangkal.

Penjelajah melayang tim MIT berpotensi mengatasi batasan ukuran ini. Konsepnya, yang menyerupai piring terbang bergaya retro berbentuk cakram, menggunakan sinar ion kecil untuk mengisi daya kendaraan dan meningkatkan muatan alami permukaan. Efek keseluruhan dirancang untuk menghasilkan gaya tolak yang relatif besar antara kendaraan dan tanah, dengan cara yang membutuhkan daya yang sangat kecil. Dalam studi kelayakan awal, para peneliti menunjukkan bahwa dorongan ion semacam itu harus cukup kuat untuk melayangkan kendaraan kecil seberat 2 pon di bulan dan asteroid besar seperti Psyche.

“Kami berpikir untuk menggunakan ini seperti misi Hayabusa yang diluncurkan oleh badan antariksa Jepang,” kata penulis utama Oliver Jia-Richards, seorang mahasiswa pascasarjana di Departemen Aeronautika dan Astronautika MIT. “Pesawat ruang angkasa itu beroperasi di sekitar asteroid kecil dan mengerahkan penjelajah kecil ke permukaannya. Demikian pula, kami pikir misi masa depan dapat mengirimkan penjelajah kecil yang melayang untuk menjelajahi permukaan bulan dan asteroid lainnya.”

Hasil tim muncul di edisi terbaru Jurnal Pesawat Luar Angkasa dan Roket. Rekan penulis Jia-Richards adalah Paulo Lozano, Profesor Aeronautika dan Astronautika M. Alemán-Velasco dan direktur Lab Propulsi Luar Angkasa MIT; dan mantan mahasiswa tamu Sebastian Hampl, sekarang di Universitas McGill.

Gaya ionik

Desain melayang tim bergantung pada penggunaan pendorong ion mini, yang disebut sumber ion cair-ion. Nozel mikrofabrikasi kecil ini terhubung ke reservoir yang berisi cairan ionik dalam bentuk garam cair suhu kamar. Ketika tegangan diterapkan, ion cairan dibebankan dan dipancarkan sebagai sinar melalui nozel dengan gaya tertentu.

Tim Lozano telah memelopori pengembangan pendorong ionik dan telah menggunakannya terutama untuk mendorong dan secara fisik melakukan manuver satelit kecil di luar angkasa. Baru-baru ini, Lozano telah melihat penelitian yang menunjukkan efek melayang dari permukaan bermuatan bulan pada debu bulan. Dia juga mempertimbangkan desain peluncur elektrostatik oleh NASA dan bertanya-tanya: Bisakah penjelajah yang dilengkapi dengan pendorong ion menghasilkan cukup gaya tolak, elektrostatik untuk melayang di bulan dan asteroid yang lebih besar?

Untuk menguji ide tersebut, tim awalnya memodelkan penjelajah kecil berbentuk cakram dengan pendorong ion yang mengisi kendaraan sendirian. Mereka memodelkan pendorong untuk memancarkan ion bermuatan negatif keluar dari kendaraan, yang secara efektif memberi kendaraan muatan positif, mirip dengan permukaan bermuatan positif bulan. Tetapi mereka menemukan ini tidak cukup untuk membuat kendaraan itu turun dari tanah.

“Lalu kami berpikir, bagaimana jika kami mentransfer muatan kami sendiri ke permukaan untuk melengkapi muatan alaminya?” kata Jia-Richards.

Dengan mengarahkan pendorong tambahan ke tanah dan memancarkan ion positif untuk memperkuat muatan permukaan, tim beralasan bahwa dorongan itu dapat menghasilkan kekuatan yang lebih besar terhadap rover, cukup untuk mengangkatnya dari tanah. Mereka menyusun model matematika sederhana untuk skenario dan menemukan bahwa, pada prinsipnya, itu bisa berhasil.

Berdasarkan model sederhana ini, tim memperkirakan bahwa penjelajah kecil, dengan berat sekitar dua pon, dapat mencapai levitasi sekitar satu sentimeter dari tanah, pada asteroid besar seperti Psyche, menggunakan sumber ion 10 kilovolt. Untuk mendapatkan lepas landas serupa di bulan, penjelajah yang sama akan membutuhkan sumber 50 kilovolt.

“Desain ionik semacam ini menggunakan daya yang sangat kecil untuk menghasilkan banyak tegangan,” jelas Lozano. “Kekuatan yang dibutuhkan sangat kecil, Anda bisa melakukan ini hampir secara gratis.”

dalam suspensi

Untuk memastikan model mewakili apa yang bisa terjadi di lingkungan nyata di luar angkasa, mereka menjalankan skenario sederhana di lab Lozano. Para peneliti membuat kendaraan uji heksagonal kecil dengan berat sekitar 60 gram dan berukuran seukuran telapak tangan seseorang. Mereka memasang satu pendorong ion yang mengarah ke atas, dan empat yang mengarah ke bawah, dan kemudian menggantung kendaraan di atas permukaan aluminium dari dua pegas yang dikalibrasi untuk melawan gaya gravitasi bumi. Seluruh pengaturan ditempatkan di dalam ruang vakum untuk mensimulasikan lingkungan tanpa udara di bulan dan asteroid.

Para peneliti juga menangguhkan batang tungsten dari pegas percobaan, dan menggunakan perpindahannya untuk mengukur berapa banyak kekuatan yang dihasilkan pendorong setiap kali ditembakkan. Mereka menerapkan berbagai voltase ke pendorong dan mengukur kekuatan yang dihasilkan, yang kemudian mereka gunakan untuk menghitung ketinggian yang bisa diangkat oleh kendaraan itu sendiri. Mereka menemukan hasil eksperimen ini cocok dengan prediksi skenario yang sama dari model mereka, memberi mereka keyakinan bahwa prediksi untuk melayangkan penjelajah di Psyche dan bulan itu realistis.

Model saat ini dirancang untuk memprediksi kondisi yang diperlukan untuk mencapai levitasi, yang kebetulan berada sekitar 1 sentimeter dari permukaan tanah untuk kendaraan seberat 2 pon. Pendorong ion dapat menghasilkan lebih banyak kekuatan dengan tegangan yang lebih besar untuk mengangkat kendaraan lebih tinggi dari tanah. Tapi Jia-Richards mengatakan model itu perlu direvisi, karena tidak memperhitungkan bagaimana ion yang dipancarkan akan berperilaku di ketinggian yang lebih tinggi.

“Pada prinsipnya, dengan pemodelan yang lebih baik, kita bisa melayang ke ketinggian yang jauh lebih tinggi,” katanya.

Dalam hal ini, Lozano mengatakan misi masa depan ke bulan dan asteroid dapat mengerahkan penjelajah yang menggunakan pendorong ion untuk melayang dan bermanuver dengan aman di medan yang tidak diketahui dan tidak rata.

“Dengan rover yang melayang, Anda tidak perlu khawatir tentang roda atau bagian yang bergerak,” kata Lozano. “Medan asteroid bisa sangat tidak rata, dan selama Anda memiliki mekanisme yang terkendali untuk menjaga rover Anda tetap mengambang, maka Anda bisa melewati medan yang sangat kasar dan belum dijelajahi, tanpa harus menghindari asteroid secara fisik.”

Ditulis oleh Jennifer Chu

Sumber: Institut Teknologi Massachusetts