低重力模擬器設計為空間研究和任務訓練提供了新途徑

佛羅里達州塔拉哈西——隨著人類繼續(xù)探索宇宙，太空的低重力環(huán)境對科學家和工程師提出了不同尋常的挑戰(zhàn)。

FAMU-FSU 工程學院和總部位于佛羅里達州立大學的國家高磁場實驗室的研究人員開發(fā)了一種新工具來幫助應對這一挑戰(zhàn)——一種新穎的低重力模擬器設計，有望為未來的太空開辟新天地研究和居住。

他們對基于磁懸浮的低重力模擬器的新設計可以創(chuàng)建一個體積比現(xiàn)有同類模擬器大 1,000 倍的低重力區(qū)域。這項工作發(fā)表在npj Microgravity雜志上。

“低重力對生物系統(tǒng)的行為產(chǎn)生深遠的影響，還會影響從流體的動力學和傳熱到材料的生長和自組織的許多物理過程，”機械工程副教授兼首席科學家郭偉說。在研究上。“然而，航天實驗往往受到高成本和小有效載荷尺寸和質量的限制。因此，開發(fā)地面低重力模擬器很重要。”

現(xiàn)有的模擬器，例如落塔和拋物線飛機，使用自由落體產(chǎn)生接近零的重力。但是這些設施通常具有較短的低重力持續(xù)時間，即幾秒到幾分鐘，這使得它們不適合需要長時間觀察的實驗。另一方面，基于磁懸浮的模擬器 (MLS) 可以提供獨特的優(yōu)勢，包括低成本、易于訪問、可調節(jié)重力和幾乎無限的操作時間。

但是傳統(tǒng)的 MLS 只能產(chǎn)生小體積的低重力。當一個典型的模擬器模擬一個大約為地球重力 1% 的環(huán)境時，其功能體積只有幾微升，對于實際的空間研究和應用來說太小了。

為了增加 MLS 的功能體積，研究人員需要一種磁鐵，可以產(chǎn)生均勻的懸浮力，以平衡大體積的重力。他們發(fā)現(xiàn)他們可以通過將超導磁體與梯度麥克斯韋線圈集成來實現(xiàn)這一目標——這種線圈配置最早由物理學家詹姆斯·克拉克麥克斯韋在 1800 年代提出。

“我們的分析表明，在直徑僅為 8 厘米的緊湊型線圈中，可以實現(xiàn)前所未有的超過 4,000 微升的功能體積，”該論文的合著者、博士生哈米德·薩納萬迪 (Hamid Sanavandi) 說。“當 MLS 中的電流減小以模擬火星上的重力時，功能體積可以超過 20,000 微升，或約 20 立方厘米。”

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