Il concetto è valido per tutti i corpi senza atmosfera, asteroidi compresi, che possono creare un campo elettrico attraverso l'esposizione diretta al Sole e al plasma circostante. Sulla Luna, questa carica superficiale è abbastanza forte da far levitare la polvere a più di 1 metro dal suolo, proprio come l'elettricità statica può far rizzare i capelli di una persona.
Il concept, che ricorda un disco volante, utilizza minuscoli fasci di ioni per caricare il veicolo e aumentare la carica naturale della superficie. L'effetto complessivo è progettato per generare una forza repulsiva relativamente grande tra il veicolo e il terreno, in un modo che richieda pochissima potenza.
In uno studio di fattibilità, i ricercatori mostrano che questa configurazione dovrebbe essere abbastanza forte da far levitare un piccolo veicolo da circa 1 chilogrammo sulla Luna e grandi asteroidi come Psiche.
I risultati del team appaiono sul Journal of Spacecraft and Rockets.
Forza ionica
Il design levitante del team si basa sull'uso di propulsori ionici in miniatura, chiamati ionic-liquid ion sources. Questi piccoli ugelli sono collegati a un serbatoio contenente liquido ionico sotto forma di sale fuso a temperatura ambiente. Quando viene applicata una tensione, gli ioni del liquido vengono caricati e spinti attraverso gli ugelli con una certa forza.
Uno dei co-autori delle ricerca, Paulo Lozano, professore di aeronautica e astronautica e direttore dello Space Propulsion Lab del MIT, ha già una certa esperienza nell'uso di propulsori ionici in miniatura per piccoli satelliti.
Quando Lozano ha notato uno dei recenti studi sull'effetto levitante sulla superficie carica della Luna sulla polvere lunare, si è chiesto se un rover dotato di propulsori ionici fosse stato in grado di produrre abbastanza forza repulsiva ed elettrostatica da librarsi sulla Luna e su asteroidi più grandi.
Prima il team ha modellato un piccolo rover a forma di disco con propulsori ionici atti per irradiare ioni negativi fuori dal veicolo e conferire una carica positiva, simile alla superficie della Luna, al veicolo stesso. Ma ciò non era sufficiente a farlo decollare.
"Poi abbiamo pensato, e se trasferissimo la nostra carica in superficie per integrare la sua carica naturale?" ha detto Oliver Jia-Richards, del Dipartimento di Aeronautica e Astronautica del MIT e autore principale dello studio. Il modello matematico rivisto, puntando i propulsori verso il suolo e aumentando la carica della superficie, sembrava funzionare e far levitare il rover.
Sulla base di questo semplice modello, i ricercatori hanno previsto che un piccolo rover, del peso di circa 1 chilogrammo, potrebbe raggiungere una levitazione di circa 1 centimetro da terra, su un grande asteroide come Psiche, utilizzando una sorgente di ioni da 10 kiloVolt. Per ottenere un simile decollo sulla Luna, lo stesso rover avrebbe bisogno di una sorgente da 50 kiloVolt.
"Questo tipo di design ionico utilizza pochissima energia per generare molta tensione", ha commentato Lozano. "La potenza necessaria è così piccola che lo si può fare quasi gratuitamente".
In sospensione
Il team ha anche svolto un piccolo test di laboratorio per confermare che il modello rappresentasse al meglio ciò che accadrebbe nello spazio.
I ricercatori hanno prodotto un piccolo veicolo di prova esagonale del peso di circa 60 grammi e delle dimensioni del palmo di una mano. Hanno installato un propulsore ionico rivolto verso l'alto e quattro verso il basso, quindi hanno sospeso il veicolo su una superficie di alluminio con due molle calibrate per contrastare la forza gravitazionale terrestre. L'intera configurazione è stata collocata all'interno di una camera a vuoto per simulare l'ambiente senz'aria della luna e degli asteroidi. Un'asta di tungsteno sospesa è stata utilizzata per misurare lo spostamento delle molle e quindi, la forza dei propulsori. Quindi, applicando varie tensioni ai propulsori e misurando le forze risultanti, hanno poi calcolato l'altezza fino a cui il veicolo avrebbe potuto levitare. I risultati hanno sostanzialmente confermato le previsioni del modello iniziale, confermando che le previsioni erano realistiche. Ovviamente, maggiore è la tensione applicata ai propulsori ionici e più il veicolo può alzarsi da terra. Ma Jia-Richards ha sottolineato che il modello avrebbe bisogno di essere rivisto, poiché non tiene conto di come si comporterebbero gli ioni emessi ad altitudini più elevate.
"In linea di principio, con una migliore modellazione, potremmo levitare ad altezze molto più elevate", ha affermato. In tal caso, le future missioni sulla Luna e sugli asteroidi potrebbero schierare rover che utilizzano propulsori ionici per librarsi e manovrare in sicurezza su terreni sconosciuti e irregolari.
"Con un rover levitante, non devi preoccuparti delle ruote o delle parti mobili", ha detto Lozano. "Il terreno di un asteroide potrebbe essere totalmente irregolare e, finché hai un meccanismo controllato per mantenere il tuo rover in movimento, allora puoi andare su un terreno molto accidentato e inesplorato, senza dover schivare fisicamente l'asteroide".