Sloshing of magnetic liquids under low-gravity conditions

The term sloshing refers to the forced movement of liquids in partially filled containers. In a low-gravity environment, the liquid mixes with pressurizing gas bubbles and adopts a random position inside the tank, resulting in unwanted perturbations and a complicated design. Liquid sloshing has consequently been a major concern for space engineers since the beginning of the space era. The sloshing of magnetic liquids has distinctive characteristics that suggest an interesting approach to this problem. Magnetic fields can be used to shift the natural frequencies and damping ratios of an oscillating fluid. Due to the short range of the magnetic interaction, research has been historically focused on what is known as \textit{magnetic liquid positioning}. In the age of nanosatellites, however, propellant tanks are much smaller, and the whole fluid volume can be reached with small, low-cost magnets. The future implementation of magnetic sloshing dampers in space passes through the accurate understanding of basic physics and modelling capability of magnetic liquid dynamics. In this respect, the prediction of the forcing dynamics response of a magnetic liquid pushed the author to develop a dedicated quasi-analytic model and to identify a roadmap for the collection of reliable experimental data in a Space-like environment. In the framework of the UNOOSA DropTES Programme, an experiment to study the lateral sloshing of a water-based ferrofluid solution in microgravity was designed. The experimental setup will be launched at ZARM's drop tower in November 2019. Several variables of interest will be recorded in order to validate the model developed by the author.

Il termine sloshing si riferisce al movimento forzato di liquidi in contenitori parzialmente pieni. In ambienti a bassa gravità, il liquido si mescola con le bolle di gas pressurizzante e adotta una posizione casuale all'interno del serbatoio, con conseguenti perturbazioni indesiderate e complicazioni a livello di progetto. Pertanto, lo sloshing di liquidi è una delle maggiori preoccupazioni per gli ingegneri sin dall'inizio dell'era spaziale. Lo sloshing dei liquidi magnetici ha caratteristiche distintive che suggeriscono un approccio interessante a tale problema. Infatti, i campi magnetici possono essere impiegati per modificare le frequenze naturali ed i rapporti di smorzamento di un fluido oscillante. A causa del breve raggio d’azione dell'interazione magnetica, la ricerca è stata storicamente focalizzata su ciò che è noto come \ textit {posizionamento liquido magnetico}. Nell'era dei nanosatelliti, tuttavia, i serbatoi di propellente sono molto più piccoli e l'intero volume di fluido può essere raggiunto con magneti piccoli e di basso costo. La futura implementazione di smorzatori magnetici in applicazioni spaziali richiede l'accurata comprensione della fisica di base e la capacità di modellazione della dinamica dei liquidi magnetici. A questo proposito, la predizione della risposta dinamica al forzamento di un liquido magnetico ha spinto l'autore a sviluppare un modello quasi-analitico dedicato e ad identificare una tabella di marcia per la raccolta di dati sperimentali affidabili in un ambiente simile allo Spazio. Nell'ambito del programma UNOOSA DropTES, è stato progettato un esperimento per studiare lo sloshing laterale di una soluzione acquosa di ferrofluido in condizioni di microgravità. Il setup sperimentale verrà testato presso la torre di caduta dello ZARM nel Novembre 2019. Verranno monitorate diverse variabili di interesse per validare il modello sviluppato dall'autore.