随着人类对宇宙的不断探索，太空的低重力环境给科学家和工程师带来了不同寻常的挑战。FAMU-FSU工程学院和总部设在佛罗里达州立大学的国家高磁场实验室的研究人员已经开发出一种新的工具来帮助应对这一挑战--一种新颖的低重力模拟器设计，有望为未来的太空研究和居住提供条件。
他们对基于磁悬浮的低重力模拟器的新设计可以创造一个低重力区域，其体积比现有的同类型的模拟器大1000倍。这项工作发表在《npj Microgravity》杂志上。
"低重力对生物系统的行为有深远的影响，也影响到许多物理过程，从流体的动力学和热传递到材料的生长和自组织，"机械工程副教授和这项研究的首席科学家Wei Guo说。"然而，太空飞行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是很重要的。"
现有的模拟器，如落塔和抛物线飞机主要使用自由落体原理来产生近零重力。但这些设施的低重力持续时间通常很短，即几秒钟到几分钟，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，包括成本低、容易获得、可调节的重力和几乎无限的操作时间。
但是传统的MLS只能创造一个小体积的低重力。当一个典型的模拟器模拟一个大约是地球重力1%的环境时，其功能容积只有几微升，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，研究人员需要一个能够产生均匀的悬浮力的磁铁，以平衡大体积的引力。他们发现，他们可以通过将超导磁铁与梯度麦克斯韦线圈整合在一起来实现这一目标--这种线圈配置是由物理学家詹姆斯-克拉克-麦克斯韦在19世纪首次提出的。
"我们的分析表明，在一个直径只有8厘米的紧凑线圈中可以实现超过4000微升的前所未有的功能体积，"论文的共同作者、博士生Hamid Sanavandi说。"当降低MLS中的电流以模拟火星上的重力时，功能体积可以超过20,000微升，或大约20立方厘米。"
研究人员还展示了如何使用现有的高温超导材料制造MLS，这使得它能够以最小的能耗运行。
这项工作可以证明对未来旨在长期居住在月球和火星的空间任务的准备工作特别有用。
Guo说："我们的MLS设计提供了一个比传统螺线管MLS大约三个数量级的功能体积，这一事实使得它在低重力研究领域成为一个潜在的游戏规则改变者。当这种MLS设计被用来模拟地外环境中的低重力时，例如在月球或火星上，所产生的功能体积甚至大到足以容纳小型植物，使其成为医学和生物学研究的一个令人兴奋的工具。"