30/12/2021
Door Ad Spijkers
Een zwevend voertuig zou op een dag de maan, asteroïden en andere planetaire oppervlakken zonder atmosfeer kunnen verkennen.
Omdat ze geen atmosfeer hebben, kunnen de maan en andere lichamen zoals asteroïden een elektrisch veld opbouwen door directe blootstelling aan de zon en het omringende plasma. Op de maan is deze oppervlaktelading sterk genoeg om stof meer dan 1 m boven de grond te laten zweven, net zoals statische elektriciteit ervoor kan zorgen dat iemands haar overeind gaat staan.
Ruimtevaarttechnici onderzoeken de mogelijkheid om deze oppervlaktelading te gebruiken om daar een toestel te laten zweven. Dat zou vleugels moeten hebben van Mylar, een materiaal dat van nature dezelfde lading vasthoudt als oppervlakken op lichamen zonder atmosfeer. Maar een dergelijk ontwerp zou waarschijnlijk beperkt blijven tot kleine asteroïden, omdat grotere planetaire lichamen een sterkere, tegenwerkende zwaartekracht zouden hebben.
Ionenkracht
De zwevende maanlander van een team van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) zou deze beperking in grootte mogelijk kunnen omzeilen. Het concept, dat lijkt op een schijfvormige vliegende schotel, gebruikt kleine ionenstralen om het voertuig op te laden en de natuurlijke lading van het oppervlak te versterken. De onderzoekers denken dat ze bij een toekomstige missie kleine zwevende maanlanders zouden kunnen sturen om het oppervlak van de maan en andere asteroïden te verkennen.
Het zwevende ontwerp is gebaseerd op het gebruik van miniatuur-ionenstuwers. Deze ionenbronnen zijn verbonden met een reservoir dat ionische vloeistof bevat in de vorm van gesmolten zout op kamertemperatuur. Wanneer een spanning wordt aangelegd, worden de ionen van de vloeistof geladen en met een bepaalde kracht als een straal door de sproeiers uitgezonden.
Het team heeft al ionische stuwraketten gebruikt om kleine satellieten in de ruimte voort te stuwen en fysiek te manoeuvreren. Zou een maanverkenner met ionenstuwers voldoende afstotende, elektrostatische kracht kunnen produceren om boven de maan en grotere asteroïden te zweven?
Model
Om het idee te testen, modelleerde het team aanvankelijk een kleine, schijfvormige verkenner met ionenmotoren die alleen het voertuig oplaadden. Ze hebben de stuwraketten gemodelleerd om negatief geladen ionen uit het voertuig te stralen, wat het voertuig in feite een positieve lading gaf, vergelijkbaar met het positief geladen oppervlak van de maan. Maar ze vonden dat dit niet genoeg was om het voertuig van de grond te krijgen.
Vervolgens bedachten de wetenschappers om extra stuwraketten op de grond te richten en positieve ionen uit te stralen om de lading van het oppervlak te versterken. De boost zou een grotere kracht tegen het luchtvaartuig zou kunnen produceren, genoeg om hem van de grond te laten zweven. Ze maakten een eenvoudig wiskundig model voor het scenario en ontdekten dat het in principe zou kunnen werken.
Op basis van dit model voorspelde het team dat een vaartuig met een massa van nog geen kilo met behulp van een 10 kV ionenbron op een grote asteroïde een levitatie van ongeveer 1 cm van de grond zou kunnen bereiken. Om een vergelijkbaar resultaat op de maan te krijgen, zou een bron van 50 kV nodig zijn. Dit soort ionische ontwerpen gebruikt overigens maar weinig stroom om veel spanning te genereren.
Testen
De onderzoekers maakten een klein zeshoekig testvoertuig met een massa van ongeveer 60 g. Ze installeerden één ionenbron die naar boven gericht was en vier naar beneden. Ze hingen het voertuig op aan twee veren die waren gekalibreerd om de zwaartekracht van de aarde tegen te gaan.
De opstelling werd in een vacuümkamer geplaatst om de omgeving van de maan en asteroïden zonder atmosfeer te simuleren. De experimentele resultaten kwamen overeen met voorspellingen van hun model, wat hen het vertrouwen gaf dat de voorspellingen voor het zweven van een voertuig realistisch waren.
Het huidige model is ontworpen om de omstandigheden te voorspellen die nodig zijn om levitatie te bereiken van ongeveer 1 cm van de grond voor een voertuig van nog geen kilo. De ionenmotoren zouden meer kracht kunnen genereren met een grotere spanning om een voertuig hoger van de grond te tillen. Maar dan moet het model worden herzien, omdat het geen rekening houdt met hoe de uitgezonden ionen zich op grotere hoogten zouden gedragen.
Foto: MIT