מדחף רקטות בגודל של מטבע עשוי עד מהרה להניע את הלוויינים הקטנים ביותר המרחפים בחלל.
מדחף רקטות בגודל של מטבע עשוי עד מהרה להניע את הלוויינים הקטנים ביותר המרחפים בחלל. ההתקן הקטן, שפותח במחלקה לאווירונאוטיקה ולאסטרונאוטיקה במכון מסצ'וסטס לטכנולוגיה, נעדר כל דימיון למנועי הלוויינים הפועלים כיום, ואשר כוללים בתוכם שסתומים, צינורות ומכלי דלק כבדים. במקום זאת, ההתקן החדש הינו משטח ריבועי מישורי וקומפקטי, בדומה לשבב מחשב, המכוסה בכחמש מאות חודים מיקרוסקופיים אשר פולטים מתוכם אלומות של יונים בתגובה להעברת זרם בתוכם. מערך זה יוצר משב קטן של חלקיקים טעונים המסוגל להניע קדימה לוויין בגודל של קופסת נעליים.
"ההתקן כה זעיר עד כי ניתן להכניס מספר התקנים ממנו ברכב החללי," אומר החוקר הראשי Paulo Lozano. החוקר מוסיף ואומר כי לוויין קטן הכולל מספר מיקרו-מדחפים כאלו יוכל "לא רק לנוע לעבר המסלול הנכון עבורו, אלא שהוא יוכל לבצע תנועות מורכבות יותר כמו להסתובב ולהתגלגל."
כיום, יותר משני תריסרים של לוויינים קטנים, המכונים "CubeSats" סובבים את כדור הארץ. כל אחד מהם הוא בגודל של קובייה הונגרית, ומשקלם פחות מקילוגרם וחצי. גודלם הקטן גורם לסיווגם כ"ננו-לוויינים", בניגוד ללוויינים הרגילים המגושמים הנשלטים מכדור הארץ. לוויינים זעירים אלו זולים לייצור וניתנים לשיגור לחלל בצורה די קלה: מאחר והם כה קלי משקל, טיל יכול לשאת מספר לוויינים כאלו כמטען נלווה ללא צורך בתוספת דלק. אולם, לוויינים קטנים אלו נעדרי מערכות הנעה עצמית, ומרגע שהם בחלל הם לרוב נותרים לחוג באופן סביל מסביב לכדור הארץ. בתום משימתו, הלוויין נשרף עם כניסתו לאטמוספירה הנמוכה.
החוקר מציין כי אם היו מציבים את הלוויינים הקטנים במסלולים גבוהים יותר בחלל, הם היו מתקיימים לאורך זמן רב יותר ועלולים ליצור בעקבות זאת בלגן בחלל. ככל שישוגרו יותר ויותר לוויינים מכדור הארץ בעתיד, הריסותיהם יוכלו להוות בעיה יקרה.
"לוויינים אלו עלולים להישאר בחלל לעד כפסולת," אומר החוקר הראשי. "ופסולת זו עלולה להתנגש בלוויינים אחרים ולגרום להשבתת עידן החלל כתוצאה ממספר קטן של התנגשויות." מערכות הנעה עבור לוויינים קטנים תוכלנה לפתור את הבעיה של גרוטאות בחלל: הלוויינים יוכלו לנוע מטה לגבהים נמוכים יותר ולהישרף, או אפילו לתפקד ככלים לאיסוף גרוטאות בחלל תוך גרירתם של לוויינים אחרים שסיימו את פעילותם לאטמוספירה הנמוכה יותר. אולם, מערכות הנעה רגילות הן גדולות ומגושמות מדי עבור ננו-לוויינים, ולא משאירים מספיק מקום לרכיבי האלקטרוניקה ולציוד התקשורת.
בניגוד לכך, מערכת ההנעה החדשה מוסיפה משקל מועט ביותר למשקלו הכללי של הלוויין. מיקרו-השבב מורכב ממספר שכבות של מתכת נקבובית כאשר השכבה העליונה מורכבת מחמש מאות חודים מתכתיים במרווחים קבועים. החלק התחתי של השבב מורכב ממאגרים קטנים של נוזל – "פלסמה נוזלית" – המכילים יונים הנעים בחופשיות, כאשר נוזל זה הוא הבסיס להפעלת ההתקן החדשני.
על מנת להסביר כיצד מערכת ההנעה פועלת, החוקר מביא את המודל של עץ: עץ שואב מים מהקרקע באמצעות רצף של נקבוביות ההולכות ונעשות קטנות יותר ויותר, תחילה בשורשים, ואז מעלה לכיוון הגזע, ולבסוף דרך העלים, שם קרני השמש מאדים את המים כגז. מערכת ההנעה החדשנית פועלת בצורה דומה לפעולה נימית (קפילאריות) זו: כל שכבה של מתכת כוללת נקבוביות קטנות יותר ויותר, אשר יונקות מעלה את הנוזל היוני דרך השבב לכיוון החודים המתכתיים.
החוקרים הרכיבו לוחית מצופה בזהב מעל השבב ואז הפעילו מתח חשמלי ליצירת שדה חשמלי בין הלוחית לבין החודים. בתגובה לפעולה זו אלומות של יונים נפלטו החוצה מהחודים תוך יצירת כוח הנעה. החוקרים מדדו וגילו כי מערך של חמש מאות חודים יוצר כוח של 50 מיקרו-ניוטונים – כוח דחיפה שבכדור ארץ יוכל להניע גזיר נייר קטן בלבד. אולם בחלל, שם אין כלל גרביטציה, כוח קטן זה יוכל להיות מספיק דיו לשם הנעת לוויין במשקל של קילוגרם אחד. החוקרים גילו גם כי הגברת המתח החשמלי מביאה להגדלת כוח הדחיפה – תוצאה מבטיחה במונחים של יעילות אנרגטית. "משמעות הדבר כי בעזרת שינוי המתח יש בידך רמה גבוהה של בקרה," מסביר בחוקר הראשי.
החוקרים מדמים בעיני רוחם לוויין קטן בעל מספר מיקרו-מדחפים הממוקמים בצדדים שונים. כאשר הלוויין יצטרך להניע את עצמו מחוץ למסלול, לוחות סולאריים הנמצאים על גביו יפעילו זמנית את המדחפים החדשניים. בעתיד, חוזה החוקר הראשי, מיקרו-מדחפים אלו יוכלו לשמש אפילו להנעתם של לוויינים הרבה יותר גדולים: לוחות שטוחים הכוללים מספר מערכות דחיפה כאלו יוכלו להניע את הלוויינים בחלל, תוך כדי שינוי תנועתם, בדומה להגה של ספינה או מטוס או לסנפיר של דגים. "כמו שניתן לכוון לוחות סולאריים לכיוון המוגדר של השמש, כך יהיה ניתן לכוון את המדחפים לכל כיוון שנרצה שינועו לעברו," מסביר החוקר. "מנגנון זה מספק לך גמישות מרובה," מוסיף ואומר החוקר.