Les ingénieurs aérospatiaux du MIT testent un concept de rover en vol stationnaire qui lévite en exploitant la charge naturelle de la lune. Cette illustration montre une image conceptuelle du rover. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs
Un véhicule en lévitation pourrait un jour explorer la lune, les astéroïdes et d’autres surfaces planétaires sans air.
Ingénieurs en aérospatiale à AVEC testent un nouveau concept de rover en vol stationnaire qui lévite en exploitant la charge naturelle de la lune.
Parce qu’ils n’ont pas d’atmosphère, la lune et d’autres corps sans air tels que les astéroïdes peuvent créer un champ électrique par exposition directe au soleil et à ses environs. plasma. Sur la lune, cette charge de surface est suffisamment puissante pour faire léviter la poussière à plus d’un mètre au-dessus du sol, un peu comme l’électricité statique peut faire se dresser les cheveux d’une personne.
Ingénieurs à Nasa et ailleurs ont récemment proposé d’exploiter cette charge de surface naturelle pour faire léviter un planeur avec des ailes en Mylar, un matériau qui détient naturellement la même charge que les surfaces des corps sans air. Ils ont estimé que les surfaces chargées de manière similaire devraient se repousser, avec une force qui soulève le planeur du sol. Mais une telle conception serait probablement limitée aux petits astéroïdes, car les corps planétaires plus gros auraient une attraction gravitationnelle plus forte et contrecarrée.
Le rover en lévitation de l’équipe du MIT pourrait potentiellement contourner cette limitation de taille. Le concept, qui ressemble à une soucoupe volante de style rétro en forme de disque, utilise de minuscules faisceaux d’ions pour à la fois charger le véhicule et augmenter la charge naturelle de la surface. L’effet global est conçu pour générer une force de répulsion relativement importante entre le véhicule et le sol, d’une manière qui nécessite très peu de puissance. Dans une étude de faisabilité initiale, les chercheurs ont montré qu’une telle stimulation ionique devrait être suffisamment puissante pour faire léviter un petit véhicule de 2 livres sur la lune et de gros astéroïdes comme Psyché.
Cette image montre le schéma de la configuration de test. La conception utilise de minuscules faisceaux d’ions pour charger le véhicule et la surface en dessous, avec peu d’énergie nécessaire. Une telle poussée d’ions pourrait être suffisamment puissante pour faire léviter un véhicule de 2 livres sur la lune et de gros astéroïdes. Crédit : Avec l’aimable autorisation des chercheurs
“Nous pensons utiliser cela comme les missions Hayabusa qui ont été lancées par l’agence spatiale japonaise”, explique l’auteur principal Oliver Jia-Richards, un étudiant diplômé du département d’aéronautique et d’astronautique du MIT. «Ce vaisseau spatial a fonctionné autour d’un petit astéroïde et a déployé de petits rovers à sa surface. De même, nous pensons qu’une future mission pourrait envoyer de petits rovers en vol stationnaire pour explorer la surface de la lune et d’autres astéroïdes.
Les résultats de l’équipe apparaissent dans le numéro actuel du Journal des vaisseaux spatiaux et des fusées. Les co-auteurs de Jia-Richards sont Paulo Lozano, professeur M. Alemán-Velasco d’aéronautique et d’astronautique et directeur du Space Propulsion Lab du MIT ; et l’ancien étudiant invité Sebastian Hampl, maintenant à l’Université McGill.
Force ionique
La conception en lévitation de l’équipe repose sur l’utilisation de propulseurs d’ions miniatures, appelés sources d’ions liquides ioniques. Ces petites buses microfabriquées sont reliées à un réservoir contenant un liquide ionique sous forme de sel fondu à température ambiante. Lorsqu’une tension est appliquée, les ions du liquide sont chargés et émis sous forme de faisceau à travers les buses avec une certaine force.
L’équipe de Lozano a été pionnière dans le développement de propulseurs ioniques et les a utilisés principalement pour propulser et manœuvrer physiquement de petits satellites dans l’espace. Récemment, Lozano avait vu des recherches montrant l’effet de lévitation de la surface chargée de la lune sur la poussière lunaire. Il a également examiné la conception du planeur électrostatique de la NASA et s’est demandé : un rover équipé de propulseurs ioniques pourrait-il produire une force électrostatique répulsive suffisante pour planer sur la lune et des astéroïdes plus gros ?
Pour tester l’idée, l’équipe a initialement modélisé un petit rover en forme de disque avec des propulseurs ioniques qui ont chargé le véhicule seul. Ils ont modélisé les propulseurs pour envoyer des ions chargés négativement hors du véhicule, ce qui a effectivement donné au véhicule une charge positive, similaire à la surface chargée positivement de la lune. Mais ils ont découvert que ce n’était pas suffisant pour faire décoller le véhicule.
« Ensuite, nous avons pensé : et si nous transférions notre propre charge à la surface pour compléter sa charge naturelle ? » dit Jia-Richards.
En pointant des propulseurs supplémentaires vers le sol et en émettant des ions positifs pour amplifier la charge de la surface, l’équipe a estimé que le boost pourrait produire une force plus importante contre le rover, suffisamment pour le faire léviter du sol. Ils ont élaboré un modèle mathématique simple pour le scénario et ont découvert que, en principe, cela pouvait fonctionner.
Sur la base de ce modèle simple, l’équipe a prédit qu’un petit rover, pesant environ deux livres, pourrait atteindre une lévitation d’environ un centimètre du sol, sur un gros astéroïde tel que Psyché, en utilisant une source d’ions de 10 kilovolts. Pour obtenir un décollage similaire sur la lune, le même rover aurait besoin d’une source de 50 kilovolts.
“Ce type de conception ionique utilise très peu d’énergie pour générer beaucoup de tension”, explique Lozano. « La puissance nécessaire est si petite que vous pouvez le faire presque gratuitement. »
En suspension
Pour être sûr que le modèle représente ce qui pourrait se passer dans un environnement réel dans l’espace, ils ont exécuté un scénario simple dans le laboratoire de Lozano. Les chercheurs ont fabriqué un petit véhicule d’essai hexagonal pesant environ 60 grammes et mesurant environ la taille de la paume d’une personne. Ils ont installé un propulseur ionique pointant vers le haut et quatre vers le bas, puis ont suspendu le véhicule sur une surface en aluminium à partir de deux ressorts calibrés pour contrer la force gravitationnelle de la Terre. L’ensemble de l’installation a été placé dans une chambre à vide pour simuler l’environnement sans air de la lune et des astéroïdes.
Les chercheurs ont également suspendu une tige de tungstène aux ressorts de l’expérience et ont utilisé son déplacement pour mesurer la force produite par les propulseurs à chaque fois qu’ils étaient tirés. Ils ont appliqué diverses tensions aux propulseurs et mesuré les forces résultantes, qu’ils ont ensuite utilisées pour calculer la hauteur que le véhicule seul aurait pu léviter. Ils ont trouvé que ces résultats expérimentaux correspondaient aux prédictions du même scénario à partir de leur modèle, leur donnant l’assurance que ses prédictions de survol d’un rover sur Psyché et la lune étaient réalistes.
Le modèle actuel est conçu pour prédire les conditions requises pour simplement atteindre la lévitation, qui se trouvait à environ 1 centimètre du sol pour un véhicule de 2 livres. Les propulseurs ioniques pourraient générer plus de force avec une tension plus élevée pour soulever un véhicule plus haut du sol. Mais Jia-Richards dit que le modèle aurait besoin d’être révisé, car il ne tient pas compte du comportement des ions émis à des altitudes plus élevées.
“En principe, avec une meilleure modélisation, nous pourrions léviter à des hauteurs beaucoup plus élevées”, dit-il.
Dans ce cas, Lozano affirme que les futures missions sur la lune et les astéroïdes pourraient déployer des rovers utilisant des propulseurs ioniques pour survoler et manœuvrer en toute sécurité sur un terrain inconnu et accidenté.
“Avec un rover en lévitation, vous n’avez pas à vous soucier des roues ou des pièces mobiles”, explique Lozano. “Le terrain d’un astéroïde peut être totalement inégal, et tant que vous disposez d’un mécanisme contrôlé pour garder votre rover flottant, vous pouvez parcourir un terrain très accidenté et inexploré, sans avoir à esquiver physiquement l’astéroïde.”
Référence : “Electrostatic Levitation on Atmosphere-Less Planetary Bodies with Ionic-Liquid Ion Sources” par Oliver Jia-Richards, Sebastian K. Hampl et Paulo C. Lozano, 31 mars 2021, Journal des vaisseaux spatiaux et des fusées.
DOI : 10.2514/1.A35001
Cette recherche a été soutenue, en partie, par la NASA.
