Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Các kỹ sư đang đề xuất một cách mới để khám phá bầu trời: những chiếc máy bay nhỏ bé nặng bằng một con ruồi giấm và không có bộ phận chuyển động. Những máy bay nhỏ này là những tấm ‘bảng nanocard’, bay lên khi ánh sáng chói chiếu vào chúng. Khi một bên nóng lên, chênh lệch nhiệt độ sẽ đưa không khí lưu thông qua cấu trúc rỗng của nó và bắn ra khỏi các kênh gấp nếp mang tên của nó, đẩy nó lên khỏi mặt đất.
Mùa hè này, NASA có kế hoạch ra mắt máy bay trên sao Hỏa tiếp theo, Perseverance, sẽ mang theo chiếc máy bay đầu tiên bay trên hành tinh khác, có thể coi là một Trực thăng sao Hỏa. Là loại đầu tiên, Máy bay trực thăng sao Hỏa sẽ không mang theo dụng cụ và không thu thập dữ liệu – NASA mô tả chỉ đơn thuần là bay tất cả dưới dạng nghiên cứu “có rủi ro cao, có thưởng cao”.
Với những rủi ro của các chuyến bay ngoài trái đất trong tâm trí bằng công nghệ thực tế ảo VR, các Kỹ sư Penn đang đề xuất một cách tiếp cận khác để khám phá bầu trời của các thế giới khác: một phi đội máy bay nhỏ, mỗi chiếc nặng bằng một con ruồi giấm và không có bộ phận chuyển động.
Những máy bay nhỏ này là những tấm “tấm ván nano”, bay lên khi ánh sáng chiếu vào chúng. Khi một mặt của tấm nóng lên, chênh lệch nhiệt độ sẽ đưa không khí lưu thông qua cấu trúc rỗng của nó và bắn ra khỏi các kênh gấp nếp mang tên của nó, giúp đẩy nó lên khỏi mặt đất.
Một nghiên cứu được công bố gần đây cho thấy khả năng bay và tải trọng của tấm ván nano trong một môi trường tương tự như trên sao Hỏa. Bầu không khí mỏng hơn ở đó sẽ giúp các máy bay nhỏ tăng sức mạnh, cho phép chúng mang tải trọng lớn gấp mười lần so với thực tế. Trọng lực sao Hỏa yếu hơn cũng sẽ tăng cường hơn nữa khả năng của chúng.
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Advanced Vật liệu được dẫn dắt bởi Igor Bargatin, Trợ lý Giáo sư Học kỳ năm 1965 tại Khoa Cơ khí và Cơ học Ứng dụng (MEAM), và John Cortes, sau đó là nghiên cứu sinh trong phòng thí nghiệm của ông. Các thành viên phòng thí nghiệm, Christopher Stanczak, Mohsen Azadi, Maanav Narula, Samuel M. Nicaise và MEAM Giáo sư và chủ tịch chương trình thạc sĩ Howard Hu cũng đóng góp cho nghiên cứu.
“Máy bay trực thăng Mars rất thú vị nhưng nó vẫn là một cỗ máy phức tạp, đơn lẻ”, Bargatin nói. “Nếu có bất cứ điều gì sai, thử nghiệm của chúng ta sẽ kết thúc, vì không có cách nào khắc phục nó. Chúng tôi đang đề xuất một phương pháp hoàn toàn khác mà không đặt tất cả trứng vào một giỏ.”
Nhóm của Bargatin đã thử nghiệm và cải tiến thiết kế tấm ván nano của họ từ năm 2017. Lấy cảm hứng từ vật liệu đóng gói giấy thông thường, họ đã hợp tác với các nhà nghiên cứu tại Trung tâm Công nghệ nano Singh để đạt được tỷ lệ trọng lượng và độ cứng kỷ lục, như báo cáo gần đây Giấy truyền thông.
Giống như các tông giấy và “vật liệu tổng hợp có cấu trúc sandwich” khác được sử dụng trong kiến trúc và hàng không, các đặc tính vật liệu của tấm ván nano bắt nguồn từ nếp gấp. Bao gồm một tấm rỗng của các bức tường nhôm oxit chỉ dày vài nanomet, nếp gấp đó là một mô hình kênh thông thường xuyên qua tấm giúp tăng cường độ cứng uốn cong và ngăn ngừa các vết nứt lan truyền.
Các kênh này cũng chịu trách nhiệm cho khả năng bay lên của các tấm, vì việc tạo ra chênh lệch nhiệt độ sẽ tạo ra một luồng không khí chảy qua cấu trúc rỗng của chúng.
Dòng không khí qua các kênh siêu nhỏ này được gây ra bởi một hiện tượng cổ điển gọi là ‘creep nhiệt'”, đây là một luồng khí hiếm gặp do độ dốc nhiệt độ dọc theo thành kênh.
Nghiên cứu gần đây của họ cho phép các nhà nghiên cứu đo khả năng của các máy bay nhỏ để nâng tải trọng giả – vòng silicon, gắn trên đỉnh của các tấm – nhờ vào buồng thử áp suất thấp mới có camera tích hợp và nguồn sáng.
Nghiên cứu các động lực này rất quan trọng để đánh giá tiềm năng của tấm ván nano như một vật liệu cho các tàu thăm dò khí quyển, đặc biệt là ở các thế giới khác, bao gồm Triton trên sao Hỏa, Sao Diêm Vương và Sao Hải Vương. Bởi vì các máy bay nhỏ trên tấm ván nano của Bargatin nặng khoảng một phần ba miligam nên sẽ phải mất hơn một triệu trong số chúng để bằng khối lượng của Máy bay trực thăng sao Hỏa và hơn sáu tỷ để bằng với máy bay trên mặt đất sẽ triển khai nó.
Nhưng ngay cả trong môi trường lý tưởng của bầu khí quyển sao Hỏa, những máy bay nhỏ bé vẫn sẽ bị giới hạn ở các cảm biến và tải trọng nhiều nhất là vài miligam. Do đó, Bargatin hiện đang hợp tác với các nhà nghiên cứu khác về cách thu nhỏ các cảm biến hóa học có thể phát hiện ra nước hoặc khí mê-tan – những dấu hiệu quan trọng của sự sống trên Sao Hỏa.
Ngoài việc mang theo các cảm biến, những người bay của nhóm nghiên cứu chỉ có thể hạ cánh và có những hạt bụi hoặc cát thụ động bám vào chúng, sau đó vận chuyển chúng trở lại máy bay để nó không cần phải đi xa.
Rover cũng có thể cung cấp một phương tiện thí điểm các máy bay nhỏ bảng nanocard. Mặc dù không có bộ phận chuyển động, chúng có thể được điều khiển bằng tia laser xác định, vì hướng không khí chảy ra khỏi các kênh của chúng phụ thuộc vào bộ phận nào của tấm được nung nóng.
Các ứng dụng trên mặt đất cũng có thể.
Bargatin nói: “Ma trận của Trái đất khá giống với bầu khí quyển sao Hỏa về mật độ và hiện tại chúng ta không có bất cứ thứ gì bay đến đó, vì nó quá thấp so với các vệ tinh không gian nhưng quá cao đối với máy bay và bóng bay”. “Lý tưởng nhất là bạn cũng muốn có một số cảm biến ở đó. Bạn càng có nhiều kiến thức về sự chuyển động của khí quyển ở cấp độ đó, bạn càng có thể dự đoán tốt hơn về khí hậu Trái đất và thậm chí cả thời tiết.”
Nguồn truyện:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Pennsylvania . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :