微米和纳米科技材料

纳米板飞行器,有望执飞火星大气“航班”

纳米板飞行器,有望执飞火星大气“航班”

在这幅艺术构想图中,地面上的火星车向空中发射了成批的“纳米板”飞行器,并用激光操控它们收集样本。

今年夏天,美国国家航空航天局(NASA)计划发射下一部火星车“恒心号”,它将携带首架在另一个星球上飞行的飞机——火星直升机踏上旅程。作为第一款这种类型的飞行器,火星直升机将不会携带任何仪器,也不会收集任何数据。NASA将其飞行任务定义为“高风险、高回报”的研究。

考虑到外太空飞行的巨大风险,美国宾夕法尼亚大学的工程师们提出用微型飞行器探索其他星球的空域。微型飞行器的重量和果蝇差不多,且不包含活动组件。

飞行器是由“纳米板”制成的,当它受到强光照射时就会悬浮起来:纳米板的一侧升温,温差使空气在其中空结构中循环,然后从波纹通道中喷出,将其推离地面。

《先进材料》杂志报道的最新研究成果表明,纳米板飞行器在类火星环境中具有一定的飞行和有效载荷能力。火星稀薄的大气层会为飞行器提供推力,使它们能够携带十倍自重的有效载荷。此外,微弱的火星引力也有助于增强飞行器的性能。

项目负责人Igor Bargatin说:“火星直升机是一个令人兴奋的项目,但它仍然是一个单一的复杂机器。如果中途出现问题,任务就彻底结束了。我们提出的是一种完全不同的方案——‘分篮装鸡蛋’。”

自2017年以来,Bargatin团队一直在试验和改进他们设计的纳米板。受包装材料启发,并与辛格纳技术中心合作,Bargatin等实现了创纪录的重量-刚度比。相关研究成果发表于最近出版的《自然通讯》杂志中。

与建筑和航空领域使用的“三明治结构复合材料”类似,纳米板的材料特性与波纹有关。在纳米级氧化铝制成的空心板上,波纹作为跨越板通道的规则模式,增强了材料的弯曲刚度,并能够抑制裂纹传播。由于温差产生的气流会流过空心结构,波纹通道也能增强纳米板的悬浮能力。研究人员Howard Hu解释说:“通过微通道的气流和‘热蠕变’现象有关。这是一种由沿通道壁的温度梯度造成的稀薄气体流动。”

最近,研究人员对纳米板飞行器的有效载荷进行了分析,这是确定其能否作为大气探测器的重要问题。Bargatin团队设计的纳米飞行器质量不足0.3毫克,即使在理想的火星大气环境中,它们也只能携带最多几毫克重的传感器。因此,Bargatin团队正在与其他研究人员合作,以便使化学传感器更小型化。Bargatin说:“除了携带传感器,纳米飞行器还可以执行简单的着陆任务,让尘埃或沙子被动附着在上面,然后送回火星车。由此,火星车就没有必要远距离行驶了。”

Bargatin认为,火星车可以作为控制纳米板飞行器的中枢:通过精确的激光控制,调整引导飞行器的气流方向。Bargatin说:“就密度而言,地球大气的中间层和火星大气层非常相似。然而,我们还没有飞行器能够执行去那儿的飞行任务——对太空卫星来说,高度太低了,但对飞机和观测气球来说,高度又太高了。如果我们能够更多地了解中间层的大气运动情况,就能对地球气候作出更好的预测。”

原创编译:雷鑫宇 审稿:西莫 责编:唐林芳

期刊来源:《先进材料》

期刊编号:0935-9648

原文链接:https://medium.com/penn-engineering/penn-engineers-nanocardboard-flyers-could-serve-as-martian-atmospheric-probes-36ff86a81e0e?source=friends_link&sk=c31b3e463149ccb37bba49f342dc43a4

https://www.eurekalert.org/pub_releases/2020-04/uop-pe042120.php

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