Los ingenieros aeroespaciales del MIT están probando un nuevo concepto para un rover flotante que levita aprovechando la carga natural de la luna.
Debido a que carecen de atmósfera, la luna y otros cuerpos sin aire, como los asteroides, pueden generar un campo eléctrico a través de la exposición directa al sol y al plasma circundante. En la luna, esta carga superficial es lo suficientemente fuerte como para hacer levitar el polvo a más de 1 metro del suelo, de manera muy similar a como la electricidad estática puede hacer que el cabello de una persona se erice.
Los ingenieros de la NASA y otros centros de investigación han propuesto recientemente aprovechar esta carga natural de la superficie para hacer levitar un planeador con alas hechas de Mylar, un material que naturalmente tiene la misma carga que las superficies de los cuerpos sin aire. Razonaron que las superficies cargadas de manera similar deberían repelerse entre sí, con una fuerza que eleve el planeador del suelo. Pero tal diseño probablemente se limitaría a pequeños asteroides, ya que los cuerpos planetarios más grandes tendrían un tirón gravitacional contrarrestante más fuerte.
El rover levitante del equipo del MIT podría potencialmente sortear esta limitación de tamaño. El concepto, que se asemeja a un platillo volante en forma de disco de estilo retro, utiliza pequeños rayos de iones para cargar el vehículo y aumentar la carga natural de la superficie. El efecto general está diseñado para generar una fuerza repulsiva relativamente grande entre el vehículo y el suelo, de una manera que requiere muy poca potencia. En un estudio de viabilidad inicial, los investigadores muestran que tal impulso de iones debería ser lo suficientemente fuerte como para levitar un vehículo pequeño de 2 libras en la luna y grandes asteroides como Psyche.
“Pensamos en usar esto como las misiones Hayabusa que fueron lanzadas por la agencia espacial japonesa”, dice el autor principal Oliver Jia-Richards, estudiante de posgrado en el Departamento de Aeronáutica y Astronáutica del MIT. “Esa nave espacial operó alrededor de un pequeño asteroide y desplegó pequeños rovers en su superficie. Del mismo modo, creemos que una misión futura podría enviar pequeños rovers flotantes para explorar la superficie de la luna y otros asteroides”.
Los resultados del equipo aparecen en la edición actual de Journal of Spacecraft and Rockets. Los coautores de Jia-Richards son Paulo Lozano, profesor de Aeronáutica y Astronáutica M. Alemán-Velasco y director del Laboratorio de Propulsión Espacial del MIT; y el ex estudiante visitante Sebastian Hampl, ahora en la Universidad McGill.
Fuerza iónica
El diseño de levitación del equipo se basa en el uso de propulsores de iones en miniatura, llamados fuentes de iones iónico-líquido. Estas pequeñas boquillas microfabricadas están conectadas a un depósito que contiene líquido iónico en forma de sal fundida a temperatura ambiente. Cuando se aplica un voltaje, los iones del líquido se cargan y se emiten como un rayo a través de las boquillas con cierta fuerza.
El equipo de Lozano ha sido pionero en el desarrollo de propulsores iónicos y los ha utilizado principalmente para propulsar y maniobrar físicamente pequeños satélites en el espacio. Recientemente, Lozano había visto investigaciones que mostraban el efecto de levitación de la superficie cargada de la luna sobre el polvo lunar. También consideró el diseño del planeador electrostático de la NASA y se preguntó: ¿podría un rover equipado con propulsores de iones producir suficiente fuerza electrostática repulsiva para flotar sobre la luna y asteroides más grandes?
Para probar la idea, el equipo inicialmente modeló un pequeño rover en forma de disco con propulsores de iones que cargaban solo el vehículo. Modelaron los propulsores para emitir iones cargados negativamente desde el vehículo, lo que efectivamente le dio al vehículo una carga positiva, similar a la superficie cargada positivamente de la luna. Pero descubrieron que esto no era suficiente para que el vehículo despegara.
“Entonces pensamos, ¿y si transferimos nuestra propia carga a la superficie para complementar su carga natural?” Dice Jia-Richards.
Al apuntar propulsores adicionales al suelo y emitir iones positivos para amplificar la carga de la superficie, el equipo razonó que el impulso podría producir una fuerza mayor contra el rover, suficiente para levitarlo del suelo. Elaboraron un modelo matemático simple para el escenario y descubrieron que, en principio, podría funcionar.
Basándose en este modelo simple, el equipo predijo que un pequeño rover, que pesa alrededor de dos libras, podría lograr una levitación de aproximadamente un centímetro del suelo, en un gran asteroide como Psyche, utilizando una fuente de iones de 10 kilovoltios. Para obtener un despegue similar en la luna, el mismo vehículo de superficie necesitaría una fuente de 50 kilovoltios.
“Este tipo de diseño iónico usa muy poca energía para generar mucho voltaje”, explica Lozano. “La energía necesaria es tan pequeña que podría hacer esto casi gratis”.
En suspensión
Para asegurarse de que el modelo representara lo que podría suceder en un entorno real en el espacio, ejecutaron un escenario simple en el laboratorio de Lozano. Los investigadores fabricaron un pequeño vehículo de prueba hexagonal que pesaba alrededor de 60 gramos y medía aproximadamente el tamaño de la palma de una persona. Instalaron un propulsor de iones apuntando hacia arriba y cuatro apuntando hacia abajo, y luego suspendieron el vehículo sobre una superficie de aluminio con dos resortes calibrados para contrarrestar la fuerza gravitacional de la Tierra. Toda la configuración se colocó dentro de una cámara de vacío para simular el entorno sin aire de la luna y los asteroides.
Los investigadores también suspendieron una varilla de tungsteno de los resortes del experimento y usaron su desplazamiento para medir cuánta fuerza producían los propulsores cada vez que se disparaban. Aplicaron varios voltajes a los propulsores y midieron las fuerzas resultantes, que luego usaron para calcular la altura que el vehículo solo podría haber levitado. Descubrieron que estos resultados experimentales coincidían con las predicciones del mismo escenario de su modelo, lo que les da la confianza de que sus predicciones para desplazar un rover sobre Psyche y la luna eran realistas.
El modelo actual está diseñado para predecir las condiciones requeridas para lograr simplemente la levitación, que resultó estar a aproximadamente 1 centímetro del suelo para un vehículo de 2 libras. Los propulsores de iones podrían generar más fuerza con un voltaje mayor para levantar un vehículo más alto del suelo. Pero Jia-Richards dice que el modelo necesitaría una revisión, ya que no tiene en cuenta cómo se comportarían los iones emitidos en altitudes más altas.
“En principio, con un mejor modelado, podríamos levitar a alturas mucho más altas”, dice.
En ese caso, Lozano dice que las misiones futuras a la luna y los asteroides podrían desplegar rovers que usan propulsores de iones para flotar y maniobrar de manera segura sobre un terreno desconocido e irregular.
“Con un rover levitando, no tiene que preocuparse por las ruedas o las piezas móviles”, dice Lozano. “El terreno de un asteroide puede ser totalmente irregular, y siempre que tenga un mecanismo controlado para mantener su rover flotando, entonces podría atravesar un terreno inexplorado y muy accidentado, sin tener que esquivar el asteroide físicamente”.
Esta investigación fue apoyada, en parte, por la NASA.
El artículo “Electrostatic Levitation on Atmosphere-Less Planetary Bodies with Ionic-Liquid Ion Sources” fue publicado en Journal of Spacecraft and Rockets.
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