隨着人類對宇宙的不斷探索，太空的低重力環境給科學家和工程師帶來了不同尋常的挑戰。FAMU-FSU工程學院和總部設在佛羅里達州立大學的國家高磁場實驗室的研究人員已經開發出一種新的工具來幫助應對這一挑戰–一種新穎的低重力模擬器設計，有望為未來的太空研究和居住提供條件。
他們對基於磁懸浮的低重力模擬器的新設計可以創造一個低重力區域，其體積比現有的同類型的模擬器大1000倍。這項工作發表在《npj Microgravity》雜誌上。
“低重力對生物系統的行為有深遠的影響，也影響到許多物理過程，從流體的動力學和熱傳遞到材料的生長和自組織，”機械工程副教授和這項研究的首席科學家Wei Guo說。”然而，太空飛行實驗往往受到高成本和小有效載荷尺寸和質量的限制。因此，開發地面低重力模擬器是很重要的。”
現有的模擬器，如落塔和拋物線飛機主要使用自由落體原理來產生近零重力。但這些設施的低重力持續時間通常很短，即幾秒鐘到幾分鐘，這使得它們不適合需要長時間觀察的實驗。另一方面，基於磁懸浮的模擬器（MLS）可以提供獨特的優勢，包括成本低、容易獲得、可調節的重力和幾乎無限的操作時間。
但是傳統的MLS只能創造一個小體積的低重力。當一個典型的模擬器模擬一個大約是地球重力1%的環境時，其功能容積只有幾微升，對於實際的空間研究和應用來說太小了。
為了增加MLS的功能體積，研究人員需要一個能夠產生均勻的懸浮力的磁鐵，以平衡大體積的引力。他們發現，他們可以通過將超導磁鐵與梯度麥克斯韋線圈整合在一起來實現這一目標–這種線圈配置是由物理學家詹姆斯-克拉克-麥克斯韋在19世紀首次提出的。
“我們的分析表明，在一個直徑只有8厘米的緊湊線圈中可以實現超過4000微升的前所未有的功能體積，”論文的共同作者、博士生Hamid Sanavandi說。”當降低MLS中的電流以模擬火星上的重力時，功能體積可以超過20,000微升，或大約20立方厘米。”
研究人員還展示了如何使用現有的高溫超導材料製造MLS，這使得它能夠以最小的能耗運行。
這項工作可以證明對未來旨在長期居住在月球和火星的空間任務的準備工作特別有用。
Guo說：”我們的MLS設計提供了一個比傳統螺線管MLS大約三個數量級的功能體積，這一事實使得它在低重力研究領域成為一個潛在的遊戲規則改變者。當這種MLS設計被用來模擬地外環境中的低重力時，例如在月球或火星上，所產生的功能體積甚至大到足以容納小型植物，使其成為醫學和生物學研究的一個令人興奮的工具。”