Un team di ricercatori, appartenenti al Famu-Fsu College of Engineering e al National High Magnetic Field Laboratory (Nhmfl) della Floridy State University, ha progettato un nuovo simulatore di bassa gravità basato sulla levitazione magnetica, in grado di creare a Terra un’area di microgravità dal volume 1.000 volte più grande dei simulatori esistenti dello stesso tipo.
Lo studio,pubblicato sulla rivista npj Microgravity, prevede l’integrazione del magnete superconduttore del simulatore con una bobina di gradiente: il risultato ottenuto è la capacità di generare una forza di levitazione uniforme che bilancia la forza gravitazionale terrestre su un volume ora funzionale per la ricerca spaziale.
Questa performance potrebbe rivelarsi particolarmente utile nella preparazione di future missioni spaziali finalizzate alla permanenza a lungo termine sulla Luna o Marte.
I simulatori di bassa gravità diffusi oggi si dividono in due categorie principali: la prima, in cui troviamo torri di caduta e aerei parabolici, utilizza la caduta libera per generare una gravità prossima allo zero, ma con grandi limiti. Un esempio è la drop tower di Brema, in Germania, la più alta torre di caduta d’Europa con i suoi 146 metri di altezza.
Questa garantisce una caduta di 120 metri che corrispondono, tuttavia, solo a circa 4,74 secondi di microgravità, potenzialmente prolungabili a circa 9,3 secondi grazie a un meccanismo a catapulta. Il grande limite di questa prima categoria di simulatori sono i pochi secondi di microgravità a fronte di un grande spazio fisico. Condizioni che rendono questa categoria inadatta a esperimenti che richiedono lunghi tempi di osservazione.
I simulatori basati, invece, sulla levitazione magnetica, la seconda categoria, possono offrire un tempo di funzionamento, quindi di osservazione, praticamente illimitato; fattore assolutamente prezioso per poter studiare a Terra effetti sul lungo periodo dell’assenza di gravità.
“La bassa gravità ha un effetto profondo sul comportamento dei sistemi biologici e influenza anche molti processi fisici, dalla dinamica e il trasferimento di calore dei fluidi alla crescita e l’auto-organizzazione dei materiali”, ha detto Wei Guo, professore associato di ingegneria meccanica e autore principale dello studio al Famu-Fsu College of Engineering.
Oltre a una osservazione sul lungo periodo, i simulatori con levitazione magnetica hanno altri vantaggi: sono facilmente accessibili e permettono di regolare il livello di gravità dell’ambiente.
Tuttavia, il grande limite di questa categoria è sempre stato il volume decisamente limitato dell’ambiente simulato a gravità 0. Se le torri di caduta e gli aerei parabolici sono utilizzabili dagli uomini, i simulatori con levitazione magnetica hanno ricreato, almeno fino a oggi, ambienti con l’1% della gravità terrestre solo di pochi micro-litri, troppo piccoli per essere funzionali per la ricerca spaziale pratica e applicativa.
Il nuovo simulatore è composto da un magnete superconduttore
Il nuovo simulatore progettato dal team supera questo freno, grazie all’integrazione di un magnete superconduttore con una bobina di gradiente. Queste bobine modificano l’intensità del campo magnetico lungo i tre assi spaziali, riuscendo a generare campi magnetici che variano linearmente di intensità lungo una direzione, ma rimangono uniformi rispetto alle altre due.
“La nostra analisi mostra che un volume funzionale senza precedenti di oltre 4.000 micro-litri può essere raggiunto in una bobina compatta con un diametro di soli otto centimetri”, ha detto il dottorando Hamid Sanavandi, coautore dello studio. “Quando la corrente nel nuovo simulatore è ridotta per emulare la gravità su Marte, il volume funzionale può superare i 20.000 micro-litri, o circa 20 centimetri cubici”.
Realizzabile utilizzando materiali superconduttori ad alta temperatura esistenti, permettendo così un consumo minimo di energia, il vero guadagno del simulatore progettato è il volume funzionale alla ricerca spaziale.
“Quando questo nuovo simulatore viene utilizzato per emulare gravità ridotte in ambienti extraterrestri, come sulla Luna o su Marte, il volume funzionale risultante è abbastanza grande da ospitare anche piccole piante, rendendo questo uno strumento emozionante per la ricerca medica e biologica”, conclude Wei Guo.
Immagine in evidenza: a sinistra, il sistema di magneti progettato da Sanavandi e Guo; a destra, dimensione e forma della regione prodotta con gravità all’1% di quella terrestre.
