這是一個藝術家的概念,在飛行過程中,火星上的無人機周圍會發光。如果無人機的旋轉轉子葉片產生電場,導致電流在飛行器周圍的火星空氣中流動,則可能會出現這種為能見度而誇大的輝光。儘管無人機在大氣中產生的電流很小,但它們可能大到足以使葉片周圍的空氣和飛行器的其他部分發出藍紫色的光。
根據美國宇航局的一項研究,在火星上空飛行的無人機上的旋轉葉片可能會導致微小的電流在火星大氣中流動。這些電流,如果足夠大,可能會導致飛行器周圍的空氣發光。這個過程在地球上以更大的尺度自然發生,在被稱為聖埃爾莫之火的電風暴中,有時會在飛機和船隻上看到電暈或電輝。
在傍晚時分,當背景天空較暗時,微弱的光芒最為明顯。NASA 的實驗性Ingenuity 直升機在此期間不會飛行,但未來的無人機可能會被清除以進行夜間飛行並尋找這種光芒。
無人機上快速旋轉的葉片產生的電流太小,不會對飛行器或火星環境構成威脅,但它們提供了一個機會來做一些額外的科學,以提高我們對電荷積累的理解,稱為‘摩擦充電'。
當摩擦在物體之間轉移電荷時會發生摩擦起電,例如當一個人用氣球摩擦他們的頭髮或毛衣時。通電的氣球會吸引人的頭髮,使其向氣球上升——這表明氣球在摩擦充電過程中產生了一個大電場。
該團隊應用實驗室測量並使用計算機建模來研究電荷如何在無人機的轉子葉片上積聚。電荷積聚也發生在地面直升機葉片上,特別是在塵土飛揚的環境中,因此該團隊還使用地面直升機充電的解釋和建模作為理解火星案例的基礎。
他們發現,當無人機的葉片旋轉時,它們會撞到火星空氣中的微小塵埃顆粒,尤其是當直升機靠近地表並四處吹塵時。當刀片撞擊穀物時,電荷被轉移,在刀片上積聚併產生電場。隨著電荷積累到高水平,大氣開始導電,這一過程稱為“大氣擊穿”,產生大量電子,形成增強的電流,用於消散或抵消旋翼飛機上積累的電荷。
研究小組發現,擊穿始於無形的“電子雪崩”。電子是帶有負電荷的非常小的粒子。電荷使電子對電場做出反應——被正電荷產生的電場吸引,被負電荷產生的電場排斥。自由電子——那些不與原子結合的電子——在銅線等導電材料中負責電流的流動。大氣也可以有自由電子,火星空氣中的少數自由電子會感受到來自旋翼飛行器的電場力並撞擊大氣中的二氧化碳(CO2)分子。撞擊從CO2分子中釋放出更多電子,從而放大電流。
火星大氣層非常稀薄,其表面的壓力僅為地球大氣海平面壓力的百分之一。這種非常低的壓力使故障更有可能發生。在火星上,構成大氣層的分子之間的距離比在地球這樣的大氣層中更遠,因為它們的密度較小。想象一下推動自由電子的電場就像一場拉力賽開始時的汽車。如果路徑上有很多大的障礙物,加速的汽車可能會撞到它們並減速(或停止)。碰撞限制汽車的速度保持相對較慢。但是,如果障礙物的間距非常大,那麼同一輛車現在會在撞到障礙物之前加速到高速。相似地,2個分子並在大約 30,000 伏/米(1 米約 3.3 英尺)的相對較低的電場內引發電子雪崩。在地球上,同樣的電子雪崩也可能發生,但在更稠密的大氣中,電場必須大得多,約為每米 3,000,000伏特。
儘管無人機在大氣層中飛行產生的電流很小,但它們可能大到足以導致葉片周圍的空氣和飛行器的其他部分開始電子雪崩,甚至可能發出藍紫色的光。
然而,研究人員承認他們的結果是一個預測,有時大自然有其他計劃。“理論上,應該有一些影響,但電子雪崩是否足以產生輝光,以及在操作過程中是否可以觀察到任何微弱的輝光,這些仍有待未來在火星上的無人機飛行中確定,事實上,甚至可以將小型靜電計放置在刀片和腿部附近,以監測任何充電的影響。這種電子監視器既具有科學價值,又可為飛行過程中的無人機健康提供關鍵資訊。