Brandon Jackson, un doctorant en génie mécanique à la Michigan Technological University, a créé un nouveau modèle informatique d'un propulseur électrospray utilisant du ferrofluide liquide ionique, une technologie prometteuse pour propulser de petits satellites dans l'espace. Spécifiquement, Jackson cherche à simuler la dynamique de démarrage de l'électrospray; en d'autres termes, ce qui donne au ferrofluide ses pointes caractéristiques.

Il est l'auteur principal d'un article récent dans Physique des fluides , "Déformation d'interface ferrofluide liquide ionique et début de pulvérisation sous des contraintes électriques et magnétiques".

Dans l'espace

Plus de 1, 300 satellites actifs sont en orbite autour de la Terre. Certains ont la taille d'un autobus scolaire, et d'autres sont beaucoup plus petits, la taille d'une boîte à chaussures ou d'un téléphone intelligent.

Les petits satellites peuvent désormais effectuer les missions d'engins spatiaux beaucoup plus gros et plus chers, grâce aux progrès des systèmes de calcul et de communication par satellite. Cependant, les petits véhicules ont encore besoin d'un moyen plus efficace de manœuvrer dans l'espace.

Propulseurs à plasma réduits, comme ceux déployés sur des satellites de plus grande classe, ne fonctionne pas bien. L'électrospray est une méthode de micropropulsion plus prometteuse.

Electrospray implique microscopique, aiguilles creuses qui utilisent l'électricité pour pulvériser de minces jets de fluide, poussant le vaisseau spatial dans la direction opposée. Mais les aiguilles ont des inconvénients. Ils sont complexes, cher et facilement détruit.

Voler avec des ferrofluides

Pour résoudre ce problème, L. Brad King, Ron &Elaine Starr Professeur en systèmes spatiaux à Michigan Tech, crée un nouveau type de micropropulseur qui s'assemble à partir de son propre propulseur lorsqu'il est excité par un champ magnétique. Le petit propulseur ne nécessite aucune aiguille fragile et est essentiellement indestructible.

"Nous travaillons avec un matériau unique appelé ferrofluide liquide ionique, " Le roi dit, expliquant qu'il est à la fois magnétique et ionique, un sel liquide. « Quand nous plaçons un aimant sous un petit bassin de ferrofluide, il se transforme en une belle structure en hérisson de pics alignés. Lorsque nous appliquons un champ électrique puissant à ce réseau de pics, chacun émet un micro-jet individuel d'ions."

Le phénomène est connu sous le nom d'instabilité de Rosensweig. Les pics se guérissent également et repoussent s'ils sont endommagés d'une manière ou d'une autre.

King a eu l'idée d'utiliser des ferrofluides pour les propulseurs en 2012. Il essayait de fabriquer un liquide ionique qui se comportait comme un ferrofluide lorsqu'il a entendu parler d'une équipe de recherche de l'Université de Sydney dirigée par Brian Hawkett et Nirmesh Jain. Ils avaient développé un ferrofluide à partir de nanoparticules magnétiques fabriquées par la société de sciences de la vie Sirtex.

Les premiers travaux de King avec l'échantillon de ferrofluide étaient de purs essais et erreurs; les résultats étaient bons, mais la physique était mal comprise. C'est à ce moment-là que le Bureau de la recherche scientifique de l'Air Force (AFOSR) a confié à King un contrat de recherche sur la physique des fluides du ferrofluide.

Propulseurs électrospray

Entrez Jackson, dont le travail de doctorat est conseillé par King.

« Typiquement parmi les ingénieurs, il y a des expérimentateurs qui construisent et mesurent des choses, ou il y a des modeleurs qui simulent des choses, " dit King. " Brandon excelle dans les deux cas. "

Travaillant au King's Ion Space Propulsion Laboratory, Jackson a mené une étude expérimentale et informatique sur la dynamique interfaciale du ferrofluide, et créé un modèle informatique d'électrosprays de ferrofluide liquide ionique.

"Nous voulions savoir ce qui a conduit à l'instabilité d'émission dans un seul pic du micropropulseur de ferrofluide, " Jackson dit, qui a développé un modèle pour un seul pic et effectué des tests rigoureux pour s'assurer que le modèle était correct.

L'équipe a acquis une bien meilleure compréhension des relations entre magnétique, contraintes électriques et de tension superficielle. Certaines des données recueillies grâce au modèle les ont surpris.

"Nous avons appris que le champ magnétique a un effet important dans le préconditionnement de la contrainte électrique du fluide, " Jackson dit, expliquer cette découverte pourrait conduire à une meilleure compréhension des comportements uniques des électrosprays de ferrofluide.

Vers l'infini et au-delà

L'AFOSR a récemment attribué à King un deuxième contrat pour poursuivre ses recherches sur la physique des ferrofluides, et il dit, "Maintenant, nous pouvons prendre ce que nous avons appris, et au lieu de modéliser un seul pic, nous allons le mettre à l'échelle et modéliser plusieurs pics."

Leur prochaine série d'expériences ressemblera plus à un propulseur, bien qu'un propulseur fonctionnel soit encore dans plusieurs années. Bien que faisant 100 pics ou plus, tous poussant à l'identique, sera beaucoup plus difficile.

"Souvent dans le laboratoire, nous aurons un pic de travail et 99 autres en train de flâner. Le modèle de Brandon sera un outil vital pour l'équipe à l'avenir, " dit King. " Si nous réussissons, notre propulseur permettra de produire en série de petits satellites bon marché et dotés de leur propre propulsion. Cela pourrait améliorer la télédétection pour une meilleure modélisation du climat, ou fournir une meilleure connectivité Internet, que trois milliards de personnes dans le monde n'ont toujours pas."

L'équipe a également commencé à collaborer avec Juan Fernandez de la Mora, professeur de génie mécanique et de science des matériaux à l'Université de Yale, l'un des plus grands experts mondiaux de l'électrospray.

En plus de la propulsion des engins spatiaux, la technologie d'électrospray ferrofluide pourrait être utile en spectrométrie, fabrication pharmaceutique, et nanofabrication. Michigan Tech a un brevet en instance pour la technologie.