月球表面帶電可以讓機械人懸停在空中探索

月球是一個沒有空氣的天體，這意味著沒有大氣，表面溫度極高，並且有大量輻射。低重力也意味著人類永遠不能真正在上面自由行走，必須穿著笨重的太空衣四處彈跳，直到跌倒。然後是可怕的月塵（又名月球風化層），它帶有靜電並粘在所有東西上！

為了利用這一點，美國麻省理工學院的研究人員開始測試一種新概念，利用月球的自然電荷懸浮在月球表面的懸停月球車。在月球上，這種表面電荷的強度足以使月球塵埃懸浮在地表以上一米以上。在美國太空總署的支持下，這項研究可能會產生一種新型的探索飛行器，幫助太空人在未來幾年探索月球。

從水星到小行星，帶靜電的風化層是太陽系中所有無空氣岩石天體的一個問題。缺乏大氣層意味著這些天體經常受到微流星體和較大物體的轟炸，這些物體會粉碎表面，產生細小的二氧化矽塵埃。沒有大氣也意味著沒有風或水的侵蝕，並且這些塵埃暴露在恆定的帶電太陽粒子流中。

就像磁懸浮列車依靠車廂和軌道之間的磁感應以非常快的速度行駛一樣，這種聚酯薄膜滑翔機自然地擁有與無氣車身表面相同的電荷。這會在兩個帶類似電荷的表面之間產生排斥效應，使滑翔機在探索無氣天體時保持高空。根據美國太空總署之前的研究，聚酯薄膜滑翔機可以探索小型小行星，但不能探索行星或衛星（因為它們的重力更強）。

麻省理工學院團隊的概念在通過為圓盤形聚酯薄膜滑翔機（類似於飛碟）配備微型離子推進器（稱為離子液體離子源）來繞過這個尺寸限制。這些由連接到含有室溫熔鹽（離子液體）的容器的微型噴嘴組成。當施加小電壓時，這些鹽的離子會帶電，並通過噴嘴以緊密束的形式發射。

這在概念上類似於霍爾效應（Hall-Effect）推進器（又名離子發動機），其中像氙氣這樣的惰性氣體暴露在電磁場中為其粒子充電，然後通過噴嘴進行磁聚焦以產生推力。在這種情況下，整體效果是為車輛和表面的自然電荷充電，以產生更強的排斥力，從而使車輛能夠在更高重力的環境中運行（使用很少的能量）。

在一項初步可行性研究中顯示，離子助推器的強度足以讓重約一公斤的車輛懸浮在像靈神星（Psyche）和月球這樣的大型小行星上。為了驗證這個想法，硏究團隊在月球表面模擬一個帶有離子推進器的圓盤形月球車，然後考慮帶負電荷的離子束將如何影響飛行器本身。根據他們的結果，飛行器會帶正電（類似於月球表面），但發現這不足以讓飛行器離開地面。

然後，研究團隊考慮將滑翔機的電荷轉移到月球表面以補充其自然電荷。為了測試這一概念，團隊制定了一個簡單的數學模型，該模型考慮針對地面的額外推進器將如何支持漫遊者的懸浮。作為最後一步，他們在實驗室中建造一個小型六邊形測試車，重約六十克，並配備了兩個離子推進器（一個朝上，一個朝下）。

飛行器懸掛在一個鋁製表面上，該表面配備了兩個經過校準以補償地球重力的彈簧和一根鎢棒，用於測量推進器在發射時產生的力。然後將整個裝置放置在真空室中以模擬無空氣環境，該團隊向推進器施加各種電壓以計算月球車可以達到的高度。

模型和實驗結果是一致，證明具有十千伏離子源的一公斤漫遊車將能夠在靈神星和月球等大型小行星表面懸浮 一厘米。具有五十千伏源，更大的功率可能意味著更高的海拔高度。在任何事情都可以確定之前，需要進行額外的研究和修改模型。

但是假設電壓的簡單增加將允許更大的懸浮力。在這種情況下，團隊認為，未來的月球和小行星任務可能會受益於使用離子推進器在未知和潛在危險的地形上安全懸停和機動的移動。

這種離子設計使用非常少的功率來產生大量電壓。所需的功率非常小，幾乎可以免費完成此操作。原則上，通過更好的設計，可以飛到更高的高度。使用懸浮月球車，就不必擔心車輪或移動部件的問題。

一顆小行星的地形可能完全不平坦，只要你有一個可控的機制來讓小行星上的漫遊車保持漂浮，那麼就可以越過非常崎嶇、未探索的小行星地形，而不必物理地左閃右避。

【圖、文：節譯自美國麻省理工學院2021年12月21日新聞公佈】研究全文刊登在2021年3月31日出版的《太空飛行器與火箭》期刊 標題是：Electrostatic Levitation on Atmosphere-Less Planetary Bodies with Ionic-Liquid Ion Sources