Gli ingegneri aerospaziali del MIT stanno testando un nuovo progetto per un rover sospeso che levita sfruttando la carica naturale della Luna. Poiché mancano di un'atmosfera, la luna e altri corpi senza aria come gli asteroidi possono costruire un campo elettrico attraverso l'esposizione diretta al sole e al plasma circostante. Sulla luna, questa carica superficiale è abbastanza forte da far levitare la polvere a più di 1 metro dal suolo, proprio come l'elettricità statica può far star rizzare i capelli di una persona.
Gli ingegneri della NASA hanno recentemente proposto di sfruttare questa carica di superficie naturale per far levitare un velivolo con ali fatte di mylar, un materiale che mantiene naturalmente la stessa carica delle superfici. Gli ingegneri pensavano che le superfici caricate in modo simile dovessero respingersi a vicenda, con una forza che solleva l'aliante da terra. Ma un tale progetto sarebbe probabilmente limitato a piccoli asteroidi, poiché corpi planetari più grandi avrebbero un'attrazione gravitazionale più forte e contrastante.
Il rover levitante del team del MIT potrebbe potenzialmente aggirare questa limitazione di dimensioni. Il progetto, che ricorda un disco volante un pò retrò, utilizza piccoli raggi ionici per caricare il veicolo e aumentare la carica naturale della superficie. Nel complesso è progettato per generare una forza repulsiva relativamente grande tra il veicolo e il suolo, in un modo che richiede pochissima potenza. In uno studio di fattibilità iniziale, i ricercatori hanno dimostrato che una tale spinta ionica dovrebbe essere abbastanza forte da far levitare un piccolo veicolo da 900 gr sulla luna e grandi asteroidi come Psyche.
Oliver Jia-Richards, uno studente laureato nel Dipartimento di Aeronautica e Astronautica del MIT e autore principale della ricerca, ha spiegato che " una futura missione potrebbe inviare piccoli rover sospesi per esplorare la superficie della luna e di altri asteroidi". I risultati del team appaiono nell'attuale numero del Journal of Spacecraft and Rockets. I co-autori di Jia-Richards sono Paulo Lozano, M. Alemán-Velasco Professor of Aeronautics and Astronautics e direttore dello Space Propulsion Lab del MIT; e l'ex studente in visita Sebastian Hampl, ora alla McGill University.
Il design levitante del team si basa sull'uso di propulsori ionici in miniatura, chiamati sorgenti ioniche ioniche-liquide. Questi piccoli ugelli microfabbricati sono collegati a un serbatoio contenente liquido ionico sotto forma di sale fuso a temperatura ambiente. Quando viene applicata una tensione, gli ioni del liquido vengono caricati ed emessi come un raggio attraverso gli ugelli con una certa forza.
Per testare l'idea, il team ha inizialmente modellato un piccolo rover a forma di disco con propulsori ionici. Hanno modellato i propulsori per irradiare ioni caricati negativamente dal veicolo, il che ha effettivamente dato al veicolo una carica positiva, simile alla superficie caricata positivamente della luna. Ma hanno scoperto che questo non era sufficiente per far decollare il veicolo.
"Poi abbiamo pensato, e se trasferissimo la nostra carica sulla superficie per integrare la sua carica naturale?" ha spiegato Jia-Richards. Puntando propulsori aggiuntivi a terra e irradiando ioni positivi per amplificare la carica della superficie, il team ha ragionato sul fatto che la spinta potrebbe produrre una forza maggiore contro il rover, abbastanza da farlo levitare da terra. Hanno elaborato un semplice modello matematico per lo scenario e hanno scoperto che, in linea di principio, potrebbe funzionare.
Sulla base di questo semplice modello, il team ha previsto che un piccolo rover, del peso di circa due chili, potrebbe ottenere la levitazione di circa un centimetro da terra, su un grande asteroide come Psyche, utilizzando una sorgente di ioni da 10 kilovolt. Per ottenere un decollo simile sulla luna, lo stesso rover avrebbe bisogno di una sorgente da 50 kilovolt. "Questo tipo di design ionico utilizza pochissima energia per generare molta tensione", ha spiegato Lozano. "La potenza necessaria è così piccola che potresti farlo quasi gratuitamente."
Per essere sicuri che il modello rappresentasse ciò che potrebbe accadere in un ambiente reale nello spazio, hanno costruito un semplice scenario nel laboratorio di Lozano. I ricercatori hanno prodotto un piccolo veicolo di prova esagonale del peso di circa 60 grammi e che misura circa le dimensioni del palmo di una mano. Hanno installato un propulsore ionico rivolto verso l'alto e quattro rivolto verso il basso, e poi hanno sospeso il veicolo su una superficie di alluminio da due molle calibrate per contrastare la forza gravitazionale della Terra. L'intera configurazione è stata collocata all'interno di una camera sotto vuoto per simulare l'ambiente lunare e degli asteroidi.
Hanno applicato varie tensioni ai propulsori e misurato le forze risultanti, che hanno poi utilizzato per calcolare a che altezza che il veicolo da solo avrebbe potuto levitare. Hanno trovato corrispondenze tra questi risultati sperimentali rispetto al loro modello, dando loro la certezza che le loro previsioni fossero realistiche.
I propulsori ionici potrebbero generare più forza con una tensione maggiore per sollevare un veicolo più in alto da terra. Ma Jia-Richards ha dichiarato che il modello avrebbe bisogno di una revisione, in quanto non tiene conto di come gli ioni emessi si comporterebbero ad altitudini più elevate. "In linea di principio, con una migliore modellazione, potremmo levitare ad altezze molto più elevate", ha spiegato. Questi rover che utilizzano propulsori ionici per librarsi dal suolo, potrebbero permettere manovre più sicure su terreni sconosciuti e irregolari.