低重力模拟器设计为空间研究和任务训练提供了新途径

佛罗里达州塔拉哈西——随着人类继续探索宇宙，太空的低重力环境对科学家和工程师提出了不同寻常的挑战。

FAMU-FSU 工程学院和总部位于佛罗里达州立大学的国家高磁场实验室的研究人员开发了一种新工具来帮助应对这一挑战——一种新颖的低重力模拟器设计，有望为未来的太空开辟新天地研究和居住。

他们对基于磁悬浮的低重力模拟器的新设计可以创建一个体积比现有同类模拟器大 1,000 倍的低重力区域。这项工作发表在npj Microgravity杂志上。

“低重力对生物系统的行为产生深远的影响，还会影响从流体的动力学和传热到材料的生长和自组织的许多物理过程，”机械工程副教授兼首席科学家郭伟说。在研究上。“然而，航天实验往往受到高成本和小有效载荷尺寸和质量的限制。因此，开发地面低重力模拟器很重要。”

现有的模拟器，例如落塔和抛物线飞机，使用自由落体产生接近零的重力。但是这些设施通常具有较短的低重力持续时间，即几秒到几分钟，这使得它们不适合需要长时间观察的实验。另一方面，基于磁悬浮的模拟器 (MLS) 可以提供独特的优势，包括低成本、易于访问、可调节重力和几乎无限的操作时间。

但是传统的 MLS 只能产生小体积的低重力。当一个典型的模拟器模拟一个大约为地球重力 1% 的环境时，其功能体积只有几微升，对于实际的空间研究和应用来说太小了。

为了增加 MLS 的功能体积，研究人员需要一种磁铁，可以产生均匀的悬浮力，以平衡大体积的重力。他们发现他们可以通过将超导磁体与梯度麦克斯韦线圈集成来实现这一目标——这种线圈配置最早由物理学家詹姆斯·克拉克麦克斯韦在 1800 年代提出。

“我们的分析表明，在直径仅为 8 厘米的紧凑型线圈中，可以实现前所未有的超过 4,000 微升的功能体积，”该论文的合著者、博士生哈米德·萨纳万迪 (Hamid Sanavandi) 说。“当 MLS 中的电流减小以模拟火星上的重力时，功能体积可以超过 20,000 微升，或约 20 立方厘米。”

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