Studie modelliert neue Möglichkeit zur Beschleunigung von Nanoteilchen

Schematischer Aufbau der Simulation zur Beschleunigung von Nanoteilchen. (Credits: University of Illinois)
Schematischer Aufbau der Simulation zur Beschleunigung von Nanoteilchen. (Credits: University of Illinois)

In einer neuen Studie modellierten Forscher der University of Illinois und der Missouri University of Science and Technology eine Methode, um Nanoteilchen als alternative Antriebsmöglichkeiten für kleine Raumsonden zu manipulieren, die nur sehr wenig Schub benötigen.

Das Team simulierte ein System, das Licht verwendet, um ein elektromagnetisches Feld zu generieren. Dann kommen neutrale Nanoteilchen aus Glas oder einem anderen Material zum Einsatz, das elektrische Ladungen isoliert statt leitet. Die Nanoteilchen werden polarisiert. Alle positiven Ladungen werden in Richtung des Feldes verlagert, und die negativen Ladungen verschieben sich in die entgegengesetzte Richtung. Das erzeugt ein internes elektrisches Feld, welches eine Kraft ausübt, welche die Teilchen durch einen Injektor kanalisiert und dann aus einem Beschleuniger herausschießt, um Schub zu produzieren.

Die Studie dauerte acht Jahre und zeigt analytisch, dass die Methode funktionieren kann, wobei sie Parameter für die erfolgreiche Anwendung angibt.

“Die Herausforderung besteht darin, die richtige Durchlässigkeit des Mediums und die richtige Ladungsmenge auszuwählen, bei der all das passiert”, sagte Joshua Rovey, außerordentlicher Professor am Department of Aerospace Engineering am Grainger College of Engineering der University of Illinois. “Man muss die richtige Materialien für die Nanoteilchen selbst wählen und auch für das Material, das die Nanoteilchen umgibt, während sie sich durch die Struktur bewegen.”

Die Technik basiert auf einem Fachgebiet, das als Plasmonik bezeichnet wird. Hier wird untersucht, wie optisches Licht oder optische elektromagnetische Wellen mit Strukturen im Nanometerbereich interagieren, beispielsweise einer Schranke oder einem Prisma.

Wenn das Licht auf die Nanostruktur trifft, findet eine resonante Interaktion statt. Sie erzeugt starke elektromagnetische Felder direkt neben dieser Struktur. Und diese elektromagnetischen Felder können Teilchen manipulieren, indem sie Kräfte auf Nanoteilchen ausüben, die sich in der Nähe dieser Strukturen befinden. Die Studie konzentrierte sich darauf, wie man die Nanoteilchen in die Beschleunigungsstruktur hineinführt und wie die Winkel der Platten in dem Injektor die Kräfte auf diese Nanoteilchen beeinflussen.

“Eine der größten Motivationen für das Konzept war das Fehlen oder der Mangel an einer Energieversorgung im Weltraum”, sagte Rovey. “Wenn wir die Sonne direkt anzapfen können und sie direkt auf die Nanostrukturen selbst scheinen lassen können, gibt es keine Notwendigkeit für eine elektrische Energieversorgung oder Solarzellen, um Energie zu liefern.”

Die Studie ist Rovey zufolge eine numerische Simulation. Der nächste Schritt wird sein, solche Nanostrukturen im Labor zu erschaffen, sie in das System zu laden, eine Lichtquelle zu ergänzen und zu beobachten, wie sich die Nanoteilchen bewegen.

Die Studie mit dem Titel “Nanoparticle injector for photonic manipulators using dielectrophoresis” wurde von Jaykob Maser und Joshua L. Rovey verfasst. Sie erscheint im Journal AIP Advances. Dieses Projekt wurde vom Air Force Office of Scientific Research unterstützt, sowie durch Fördermittel des NASA Innovative Advanced Concepts Program und durch das Chancellor’s Fellowship der Missouri University of Science and Technology.

Quelle

(THK)

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