Симулятор условий низкой гравитации расширяет возможности исследований космоса
AstroNews.ru - 01 Ноября 2021 15:18:00
По мере того как человечество продвигается с каждым годом всё дальше в освоении космоса, ученые и инженеры всё больше начинают интересоваться экспериментами, проводимыми в условиях сниженной гравитации.
Недавно исследователи разработали новый научный инструмент для решения этой задачи, предложив новую конструкцию симулятора низкой гравитации, которая делает возможными футуристичные эксперименты, необходимые для будущих исследований космоса и разработки концепций жилых модулей для астронавтов.
Эта новая конструкция симулятора низкой гравитации, основанная на явлении магнитной левитации, может создавать область с низкой гравитацией в объеме примерно в 1000 раз больше, по сравнению с существующими симуляторами этого типа.
«Низкая гравитация оказывает глубокое влияние на поведение биологических систем, а также на множество физических процессов, начиная от динамики жидкостей и переноса теплоты в них до роста и самоорганизации материалов, - сказал Вей Гуо (Wei Guo), адъюнкт-профессор кафедры машиностроения Университета штата Флорида, США, и главный автор нового исследования. – Однако космические эксперименты часто лимитируются высокой стоимостью, малыми размерами и массой запускаемой полезной нагрузки. Поэтому разработка наземного симулятора низкой гравитации представляет для нас интерес».
Существующие симуляторы, такие как башни для сбрасывания и самолеты, движущиеся по параболической траектории, используют свободное падение для генерации близкой к нулю гравитации. Но обычно симуляторы такого типа не могут создать условия низкой гравитации на продолжительное время, превышающее несколько минут или даже секунд, что делает их непригодными для экспериментов, в которых предполагаются длительные наблюдения. С другой стороны, симуляторы на основе магнитной левитации имеют ряд уникальных преимуществ, среди которых низкая стоимость, доступность, возможность регулирования уровня гравитации и практически неограниченная продолжительность экспериментов.
Но недостатком традиционной системы магнитной левитации является малый рабочий объем. Когда типичный симулятор этого класса воссоздает условия с гравитацией на уровне порядка одного процента от гравитации Земли, объем рабочей зоны составляет всего лишь несколько микролитров, которых не хватает для проведения фундаментальных исследований космоса и прикладных экспериментов.
Чтобы увеличить рабочий объем этого симулятора, Гуо и его коллегам требовался магнит, позволяющий генерировать однородную силу левитации, уравновешивающую гравитационную силу в большом объеме. Исследователи нашли, что этого можно достичь, объединив сверхпроводящий магнит и катушку Максвелла с градиентным полем – конфигурация катушки, которая была предложена в 1800-х гг. физиком Джеймсом Клерком Максвеллом.
В результате авторам удалось получить беспрецедентное увеличение функционального объема, который превысил 4000 микролитров внутри компактной катушки диаметром всего лишь восемь сантиметров. Когда ток в катушке снижали для имитации гравитации на Марсе, рабочий объем удавалось увеличить до 20 000 микролитров (или 20 миллилитров).
Проведенная работа может сыграть большую роль при подготовке будущих космических миссий, нацеленных на долгосрочное освоение Луны и Марса, отметили авторы.
Исследование представлено в журнале npj Microgravity.