Физики нашли новый способ управления жидкостью в космосе
Физики обнаружили, что поведением жидкости в космосе можно управлять с помощью почти невидимого изменения ее формы. Оказалось, что крошечный изгиб на поверхности воды у препятствия способен либо пропустить волну, либо почти полностью ее заблокировать. Это открытие позволит лучше управлять топливом, системами жизнеобеспечения и производством лекарств на космических станциях.
Исследование провела команда ученых из Университета Миссисипи под руководством Ликуна Чжана. Они изучали, как можно управлять волнами в жидкости в условиях низкой гравитации, и опубликовали свои результаты в научном журнале Physical Review Letters.
Ключом к управлению оказался мениск. Мениск — это искривление свободной поверхности жидкости у стенки сосуда или вокруг твердого тела. Этот эффект вызван силами поверхностного натяжения и зависит от того, смачивает ли жидкость поверхность. Например, если на поверхность пруда упал лист, вода у его краев немного приподнимется, образуя плавную кривую.
Ученые выяснили, что форма мениска напрямую влияет на то, сколько энергии волны пройдет через барьер. Если изгиб пологий, проходит больше энергии. Если же изгиб крутой, он практически полностью блокирует волну. По словам Ликуна Чжана, изменение формы мениска всего на 1,5 миллиметра снизило прохождение волны с 60% до нескольких процентов.
Этот эффект имеет значение для космоса. Как объясняет соавтор исследования аспирант Чжэнъу Ван, на Земле поведение жидкостей определяет в основном гравитация, но на космической станции главной силой становится поверхностное натяжение. Поверхностное натяжение — это физическое явление, при котором на поверхности жидкости возникают силы, стремящиеся сократить ее площадь до минимально возможной. Например, натяжение заставляет жидкость собираться в капли и удерживает ее поверхность целой. Именно из-за этой силы и образуется мениск вокруг любых объектов.
Умение управлять жидкостями в условиях невесомости критически важно. Это поможет сделать более эффективными и легкими системы жизнеобеспечения, переработки воды, охлаждения и топливные системы. В космосе нельзя просто положиться на гравитацию, чтобы отделить жидкость от газа в баке.
Для своего эксперимента исследователи создали условия, похожие на невесомость. Они генерировали на поверхности воды небольшие и частые волны. Затем на пути этих волн они размещали частичный барьер. Чтобы управлять формой мениска, ученые меняли высоту барьера, а также использовали специальные покрытия, которые либо притягивали, либо отталкивали воду. С помощью акустических датчиков они измеряли, сколько энергии волны смогло пройти через барьер при разной форме мениска.
Хотя основной фокус работы был на космических технологиях, у открытия есть и земные применения. По словам Ликуна Чжана, эти принципы могут быть полезны в производстве и биомедицинской инженерии. Там часто используют микрофлюидные устройства — приборы, которые перемещают жидкости по каналам шириной в несколько миллиметров. К таким устройствам относятся некоторые виды принтеров, ДНК-чипы и технологии «лаборатория на чипе».
Производство лекарств и косметики в космосе может стать более распространенным уже в ближайшем будущем. SpaceX уже разрабатывает программу Starfall, которая подразумевает использование корабля Starship в качестве большой лаборатории.
