Вертолеты, летающие на Марсе, могут светиться в сумерках

Согласно исследованию НАСА, вращающиеся лопасти небольшого вертолета Ingenuity, летающего над Марсом, могут вызывать появление крошечных электрических токов в марсианской атмосфере. Эти токи, если они достаточно велики, могут вызвать свечение воздуха, окружающего вертолет.

Этот процесс происходит естественным образом в гораздо больших масштабах на Земле в виде короны или электрического свечения, иногда наблюдаемого на самолетах и ​​кораблях во время электрических бурь. Такое свечение известно как Огонь Святого Эльма.

«Слабое свечение будет наиболее заметно в вечерние часы, когда фоновое небо темнее», — сказал Уильям Фаррелл из Центра космических полетов имени Годдарда, ведущий автор статьи об этом исследовании, опубликованной в Planetary Science Journal.

«Экспериментальный вертолет NASA Ingenuity в это время не летает, но будущие беспилотники могут быть допущены к вечернем полетам и искать это свечение».

«Электрические токи, генерируемые быстро вращающимися лопастями дронов, слишком малы, чтобы представлять угрозу для корабля или марсианской среды, но они дают возможность провести дополнительные исследования, чтобы улучшить наше понимание накопления электрического заряда, называемого «трибоэлектрическая зарядка», — добавил Уильям Фаррелл.

Трибоэлектрическая зарядка возникает, когда трение передает электрический заряд между объектами, например, когда человек трет воздушный шар о свои волосы или свитер.

Наэлектризованный воздушный шар будет притягивать волосы человека, заставляя их подниматься к воздушному шару, что указывает на то, что воздушный шар создал сильное электрическое поле в результате процесса трибоэлектрической зарядки.

Ученые применили лабораторные измерения и использовали компьютерное моделирование, чтобы выяснить, как электрический заряд может накапливаться на лопастях ротора дрона.

Накопление заряда также происходит на лопастях земных вертолетов, особенно в запыленных средах, поэтому команда также использовала интерпретации и моделирование зарядки от земных вертолетов в качестве основы для понимания марсианского случая.

Они обнаружили, что когда лопасти дрона вращаются, они сталкиваются с крошечными пылинками в марсианском воздухе, особенно когда вертолет находится близко к поверхности и разбрасывает пыль. Когда лопасти сталкиваются с пылинками, заряд передается, накапливаясь на лопастях и создавая электрическое поле.

По мере того, как заряд достигает высокого уровня, атмосфера начинает проводить электричество, процесс, известный как «атмосферный пробой», создавая популяцию электронов, которые формируют повышенный электрический ток, рассеивающий или компенсирующий накопление заряда на винтокрылом аппарате.

Ученые обнаружили, что пробой начинается как невидимая «электронная лавина». Электроны — очень маленькие частицы с отрицательным электрическим зарядом. Заряд заставляет электроны реагировать на электрические поля — притягиваться к полю, создаваемому положительным зарядом, и отталкиваться от поля, создаваемого отрицательным зарядом.

Свободные электроны — те, которые не связаны с атомом — в электропроводящем материале, таком как медная проволока, ответственны за течение электрического тока. В атмосфере также могут быть свободные электроны, и несколько свободных электронов в марсианском воздухе ощущают силу электрического поля винтокрылого аппарата и врезаются в молекулы атмосферного углекислого газа (CO₂). Удар высвобождает больше электронов из молекул CO₂, что усиливает ток.

Марсианская атмосфера чрезвычайно разреженная, ее давление на поверхности составляет всего около одного процента от давления земной атмосферы на уровне моря. Это очень низкое давление делает пробой более вероятным.

На Марсе молекулы, из которых состоит атмосфера, разнесены дальше друг от друга, чем в земной атмосфере. Подумайте об электрическом поле, приводящем в движение свободные электроны, подобно автомобилю, начинающему гонку. Если на пути много крупных препятствий, разгоняющийся автомобиль может столкнуться с ними и замедлиться (или остановиться).

Столкновения ограничивают скорость автомобиля, чтобы она оставалась относительно низкой. Однако, если препятствия расположены очень далеко друг от друга, тот же автомобиль теперь будет разгоняться до высоких скоростей, прежде чем столкнуться с препятствием.

Точно так же дополнительное пространство в марсианском воздухе дает свободным электронам больший путь для ускорения, прежде чем они «врежутся» в молекулу, поэтому они могут достичь необходимой скорости, чтобы оттолкнуть другие электроны от молекул CO₂ и запустить лавину электронов в относительно низком электрическом поле около 30 000 вольт на метр. На Земле может произойти та же электронная лавина, но в более плотной атмосфере электрические поля должны быть намного больше, около 3 000 000 вольт на метр.

Хотя токи, генерируемые вертолетом Ingenuity, летящим в атмосфере, малы, они могут быть достаточно большими, чтобы заставить воздух вокруг лопастей и других частей дрона начать лавину электронов и, возможно, даже светиться сине-фиолетовым цветом.

Однако исследователи признают, что их результат — предсказание, а иногда у природы бывают другие планы. «Теоретически должен быть какой-то эффект, но достаточно ли сильна электронная лавина, чтобы создать свечение, и будет ли наблюдаться какое-либо слабое свечение во время движения — все это еще предстоит определить в будущих полетах дронов на Марсе», — говорит Уильям Фаррелл.

«На самом деле, можно даже разместить небольшие электрометры возле лопастях и на шасси, чтобы контролировать эффекты любой зарядки. Этот тип электрического монитора может иметь как научную ценность, так и обеспечивать важную информацию о состоянии дрона во время полета».