Из-за отсутствия атмосферы Луна и другие безвоздушные тела, такие как астероиды, могут создавать электрическое поле за счет прямого воздействия солнца и окружающей плазмы. На Луне этот поверхностный заряд достаточно силен, чтобы поднимать пыль на высоту более 1 метра над землей, подобно тому, как статическое электричество может заставить волосы встать дыбом.
Инженеры NASA и других организаций недавно предложили использовать этот естественный поверхностный заряд для левитации планера с крыльями, сделанными из майлара, материала, который, естественно, обладает таким же зарядом, как и поверхности на безвоздушных телах. Они рассудили, что одинаково заряженные поверхности должны отталкиваться друг от друга с силой, отрывающей планер от земли. Но такая конструкция, вероятно, будет ограничена небольшими астероидами, поскольку более крупные планетные тела будут иметь ощутимую гравитацию.
Левитирующий марсоход команды Массачусетского технологического института потенциально может обойти это ограничение по размеру. Эта концепция, напоминающая летающую тарелку в форме диска, использует крошечные ионные лучи как для зарядки транспортного средства, так и для увеличения естественного заряда поверхности. Общий эффект предназначен для создания относительно большой силы отталкивания между транспортным средством и землей, что требует очень небольшой мощности. В первоначальном технико-экономическом обосновании исследователи показывают, что такой ионный импульс должен быть достаточно сильным, чтобы заставить парить небольшой аппарат на Луне и крупных астероидах, таких как Психея. Помежуточные результаты работы команды опубликованы в Journal of Spacecraft and Rockets.
Проект команды основан на использовании миниатюрных ионных двигателей, называемых ионно-жидкостными ионными источниками. Эти небольшие микроструктурные форсунки соединены с резервуаром, содержащим ионную жидкость в виде расплавленной соли при комнатной температуре. При приложении напряжения ионы жидкости заряжаются и излучаются в виде пучка через сопла с определенной силой.
Чтобы проверить эту идею, команда первоначально смоделировала небольшой марсоход в форме диска с ионными двигателями, которые заряжали только транспортное средство. Они смоделировали двигатели, чтобы направлять отрицательно заряженные ионы из транспортного средства, что фактически давало транспортному средству положительный заряд, аналогичный положительно заряженной поверхности Луны. Но они обнаружили, что этого было недостаточно, чтобы аппарат оторвался от земли.
Направляя дополнительные двигатели на землю и излучая положительные ионы, чтобы усилить заряд поверхности, команда пришла к выводу, что ускорение может создать большую силу против марсохода, достаточную, чтобы поднять его над землей. Они составили простую математическую модель сценария и обнаружили, что в принципе это может сработать.
Основываясь на этой простой модели, команда предсказала, что небольшой марсоход, весом около одного килограмма, может достичь высоты около одного сантиметра над землей на большом астероиде, таком как Психея, с использованием 10-киловольтного ионного источника. Чтобы получить такой же старт на Луне, тому же марсоходу потребуется источник на 50 киловольт.
Чтобы убедиться, что модель представляет то, что может происходить в реальной среде в космосе, они запустили простой сценарий в лаборатории. Исследователи изготовили небольшой шестиугольный испытательный аппарат весом около 60 граммов и размером примерно с ладонь человека. Они установили один ионный двигатель, направленный вверх, и четыре - вниз, а затем подвесили аппарат над алюминиевой поверхностью с помощью двух пружин, откалиброванных для противодействия гравитационной силе Земли. Вся установка была помещена в вакуумную камеру для моделирования безвоздушной среды Луны и астероидов.
Исследователи также подвесили вольфрамовый стержень к пружинам эксперимента и использовали его смещение, чтобы измерить силу, создаваемую двигателями при каждом запуске. Они приложили различные напряжения к подруливающим устройствам и измерили результирующие силы, которые затем использовали для расчета высоты, на которую могло подняться только транспортное средство. Они обнаружили, что эти экспериментальные результаты совпадают с предсказаниями того же сценария на основе их модели, что вселяет уверенность в том, что ее предсказания относительно зависания марсохода на Психее и на Луне были реалистичными.
Текущая модель предназначена для прогнозирования условий, необходимых для простого достижения левитации, которая оказалась на высоте около 1 сантиметра от земли для килограммового аппарата. Ионные двигатели могут генерировать большую силу с большим напряжением, чтобы поднять транспортное средство выше над землей. Но инженеры говорят, что модель потребует пересмотра, поскольку она не учитывает, как испускаемые ионы будут вести себя на больших высотах.