À gauche : un schéma du système magnétique conçu par Sanavandi et Guo. À droite : tracé de contour de l’énergie de piégeage d’un échantillon d’eau placé dans l’aimant proposé, qui montre la taille et la forme de la région où la gravité est de 1 % de la gravité terrestre. Crédit : avec l’aimable autorisation de Wei Guo/FAMU-FSU College of Engineering
Alors que l’humanité poursuit son exploration de l’univers, l’environnement de faible gravité de l’espace présente des défis inhabituels pour les scientifiques et les ingénieurs.
Des chercheurs du FAMU-FSU College of Engineering et du Université d’État de Floride– Le Laboratoire national de champ magnétique élevé, dont le siège est situé, a développé un nouvel outil pour aider à relever ce défi – une nouvelle conception pour un simulateur à faible gravité qui promet d’innover pour la future recherche spatiale et l’habitation.
Leur nouvelle conception de simulateur de faible gravité basé sur la lévitation magnétique peut créer une zone de faible gravité avec un volume environ 1 000 fois plus grand que les simulateurs existants du même type. Le travail a été publié dans la revue npj Microgravité.
“La faible gravité a un effet profond sur le comportement des systèmes biologiques et affecte également de nombreux processus physiques, de la dynamique et du transfert de chaleur des fluides à la croissance et à l’auto-organisation des matériaux”, a déclaré Wei Guo, professeur agrégé en génie mécanique et scientifique principal. sur l’étude. “Cependant, les expériences de vol spatial sont souvent limitées par le coût élevé et la petite taille et la masse de la charge utile. Par conséquent, le développement de simulateurs de faible gravité au sol est important. »
De gauche à droite, le doctorant Hamid Sanavandi et Wei Guo, professeur agrégé au FAMU-FSU College of Engineering. Crédit : avec l’aimable autorisation de Wei Guo/FAMU-FSU College of Engineering
Les simulateurs existants, tels que les tours de largage et les avions paraboliques, utilisent la chute libre pour générer une gravité proche de zéro. Mais ces installations ont typiquement des durées de faible gravité courtes, c’est-à-dire de quelques secondes à quelques minutes, ce qui les rend inadaptées aux expériences qui nécessitent des temps d’observation longs. D’autre part, les simulateurs basés sur la lévitation magnétique (MLS) peuvent offrir des avantages uniques, notamment un faible coût, une accessibilité facile, une gravité réglable et un temps de fonctionnement pratiquement illimité.
Mais un MLS conventionnel ne peut créer qu’un petit volume de faible gravité. Lorsqu’un simulateur typique imite un environnement qui représente environ 1 % de la gravité terrestre, le volume fonctionnel n’est que de quelques microlitres, trop petit pour la recherche et les applications spatiales pratiques.
Afin d’augmenter le volume fonctionnel d’un MLS, les chercheurs avaient besoin d’un aimant qui permettrait de générer une force de lévitation uniforme qui équilibrerait la force gravitationnelle dans un grand volume. Ils ont découvert qu’ils pouvaient y parvenir en intégrant un aimant supraconducteur avec une bobine de Maxwell à gradient – une configuration de bobine qui a été proposée pour la première fois dans les années 1800 par le physicien James Clark Maxwell.
“Notre analyse montre qu’un volume fonctionnel sans précédent de plus de 4 000 microlitres peut être atteint dans une bobine compacte d’un diamètre de seulement huit centimètres”, a déclaré le doctorant Hamid Sanavandi, co-auteur de l’article. « Lorsque le courant dans le MLS est réduit pour imiter la gravité sur Mars, le volume fonctionnel peut dépasser 20 000 microlitres, soit environ 20 centimètres cubes.
Les chercheurs ont également montré comment le MLS peut être fabriqué à l’aide de matériaux supraconducteurs à haute température existants, ce qui lui permet de fonctionner avec une consommation d’énergie minimale.
Ces travaux pourraient s’avérer particulièrement utiles dans la préparation de futures missions spatiales visant l’habitation à long terme de la Lune et de Mars.
“Le fait que notre conception MLS offre un volume fonctionnel d’environ trois ordres de grandeur plus grand que celui des MLS à solénoïde conventionnels en fait un changement potentiel dans le domaine de la recherche à faible gravité”, a déclaré Guo. « Lorsque cette conception MLS est utilisée pour émuler des gravités réduites dans des environnements extraterrestres, comme sur la Lune ou sur Mars, le volume fonctionnel obtenu est suffisamment grand pour accueillir même de petites plantes, ce qui en fait un outil passionnant pour la recherche médicale et biologique. »
Référence : « La conception d’un simulateur à faible gravité offre de nouvelles pistes pour la recherche spatiale et la formation aux missions » 29 octobre 2021, npj Microgravité.
DOI : 10.1038 / s41526-021-00174-4
Cette recherche a été financée par la National Science Foundation sous le numéro de subvention CBET-1801780. Les travaux ont été menés au National High Magnetic Field Laboratory de la Florida State University, qui est soutenu par l’accord de coopération n° DMR-1644779 de la National Science Foundation et l’État de Floride.
