Физики из Технологического университета Мичигана разработали новый тип двигателей для небольших космических аппаратов. Они напоминают собой ионные двигатели, но рабочим телом в них выступает ионная магнитная жидкость. Ключевое преимущество таких двигателей — небольшие размеры, их эффективность гораздо выше чем у масштабированных до небольших размеров ионных двигателей. Исследование опубликовано в журнале Physics of Fluids, кратко о нем сообщает пресс-релиз университета.

Под действием интенсивного электрического поля ионы в жидкости могу получать сильное ускорение и даже вылетать из нее. На этом эффекте основан метод электроспрей-ионизации, использующийся в масс-спектроскопии. Заряженные капли могут развивать большую скорость, передавая импульс их источнику. На этом была основана одна из концепций реактивных двигателей. Однако инженеры предлагали использовать в качестве сопел очень тонкие капилляры (чтобы обеспечить большую напряженность электрического поля на концах) — крайне хрупкие и легко ломающиеся объекты.

Магнитная жидкость. Sarah Bird/Michigan Tech

Авторы новой работы нашли способ обойтись без капилляров в установке. Чтобы создать заостренные сопла для электроспрея ученые обратились к магнитным жидкостям — необычным коллоидам из магнитных наночастиц, способным откликаться на действие магнита. Такие жидкости в присутствии магнитных полей способны образовывать иглы на поверхности, ориентированные вдоль линий поля. Именно острия этих игл должны заменить собой капилляры.

В своей работе физики использовали ионную магнитную жидкость — магнитные наночастицы в ней стабилизированы в ионной жидкости. Последняя представляет собой ионное (такое как обычная соль, хлорид натрия) органическое соединение, жидкое при небольших температурах. Инженеры разработали систему с питателем, который переносит жидкость в основное сопло двигателя. Когда в сопле включается магнитное поле, жидкость формирует острый шип. Последующее включение электрического поля заставляет заряженные капли жидкости срываться с конца этого шипа — при этом жидкость восстанавливает форму шипа.

Схема установки. Brandon A. Jackson et al. / Physics of Fluids, 2017

Эксперименты ученых помогли лучше определить взаимосвязь между поверхностным натяжением, магнитным и электрическим полем, а также эффективностью электроспрея. Физики разработали надежные компьютерные модели, которые упростят подбор параметров для установки. В будущем авторы планируют начать эксперименты с системой, больше похожей на двигатель. Исследователи отмечают, что до создания реально работающего прототипа потребуется еще несколько лет работы. Необходимо, чтобы каждый из шипов или игл магнитной жидкости создавал одинаковую тягу.

Ученые называют главным применением для таких двигателей массовое создание небольших маневренных спутников — как для климатологических исследований, так и для распределения спутникового интернета.

Помимо электроспрей и ионных двигателей существуют и другие компактные или вовсе не требующие рабочего тела двигатели для космических аппаратов. К примеру, солнечные паруса можно использовать на спутниках размером с несколько модулей CubeSat (10×10×10 сантиметров). Ближайшие испытания таких парусов могут пройти уже в следующем году — Планетное общество планирует запуск новой версии спутника LightSail в один из первых полетов ракеты-носителя Falcon Heavy.

Автор: Владимир Королёв