Gli ingegneri del MIT hanno dimostrato il primo motore elettrospray a emissione di gocce completamente stampato in 3D. Il dispositivo, che sarebbe l'ideale per consentire a piccoli satelliti di realizzare manovre in orbita, può essere prodotto per una frazione del costo dei propulsori tradizionali.
Questo motore sarebbe ideale per spingere piccoli satelliti, i dispositivi leggeri potrebbero essere prodotti a bordo di un veicolo spaziale e costa molto meno dei propulsori tradizionali
Un motore elettrospray applica un campo elettrico a un liquido conduttivo, generando un getto ad alta velocità di minuscole goccioline in grado di spingere un veicolo spaziale. Questi motori in miniatura sono ideali per i piccoli satelliti chiamati CubeSat, spesso utilizzati nella ricerca accademica. Poiché i motori Electrospray utilizzano il propellente in modo più efficiente rispetto ai potenti razzi chimici utilizzati sul LaunchPad, sono più adatti per manovre precise e in orbita. La spinta generata da un emettitore elettrospray è minuscola, quindi i motori elettrospray in genere usano una serie di emettitori che sono uniformemente operati in parallelo.
Tuttavia, questi propulsori a elettrospray multiplex sono in genere realizzati tramite costosa e dispendiosa fabbricazione di semiconduttori in camera pulita, che limita la loro produzione e la loro applicabilità ai dispositivi.
Per aiutare a abbattere le barriere alla ricerca spaziale, gli ingegneri del MIT hanno dimostrato il primo motore elettrospray a emissione di gocce completamente stampato in 3D. Il loro dispositivo, che può essere prodotto rapidamente e per una frazione del costo dei propulsori tradizionali, utilizza materiali e tecniche di stampa 3D commercialmente accessibili. I dispositivi potrebbero anche essere completamente realizzati in orbita, poiché la stampa 3D è compatibile con la produzione in spazio.
Sviluppando un processo modulare che combina due metodi di stampa 3D, i ricercatori hanno superato le sfide coinvolte nella fabbricazione di un dispositivo complesso composto da componenti macroscale e microscala che devono lavorare insieme perfettamente.
Il loro propulsore di prova comprende 32 emettitori di elettrospray che operano insieme, generando un flusso stabile e uniforme di propellente. Il dispositivo stampato in 3D ha generato più o più spinte rispetto ai motori di elettrospray che emettono le gocce esistenti. Con questa tecnologia, gli astronauti potrebbero stampare rapidamente un motore per un satellite senza bisogno di aspettare che uno venga inviato dalla Terra.
«L'uso della produzione di semiconduttori non corrisponde all'idea dell'accesso a basso costo allo spazio. Vogliamo democratizzare l'hardware spaziale. In questo lavoro, stiamo proponendo un modo per realizzare hardware ad alte prestazioni con tecniche di produzione disponibili per più attori», afferma il dottor Luis Fernando Velásquez-García (1), uno scienziato di ricerca principale dei Microsystems Technology Laboratories (MTL) di Luis e Autore senior dell'articolo che descrive i propulsori, pubblicato su Advanced Science (2).
È unito sul giornale dal principale autore Hyeonseok Kim, uno studente laureato in ingegneria meccanica.
Un approccio modulare
Un motore elettrospray ha un serbatoio di propellente che scorre attraverso canali microfluidici a una serie di emettitori. Un campo elettrostatico viene applicato sulla punta di ciascun emettitore, innescando un effetto elettroidrodinamico che modella la superficie libera del liquido in un menisco a forma di cono che espelle un flusso di goccioline caricate ad alta velocità dal suo apice, producendo una spinta.
Le punte degli emettitori devono essere il più nitide possibile per raggiungere l'espulsione elettroidrodinamica del propellente a bassa tensione. Il dispositivo richiede inoltre un sistema idraulico complesso per archiviare e regolare il flusso di propellente liquido, in modo efficiente tramite canali microfluidici.
L'array di emettitore è composto da otto moduli di emettitore. Ogni modulo di emettitore contiene una serie di quattro singoli emettitori che devono lavorare all'unisono, formando un più ampio sistema di moduli interconnessi.
«L'uso di un approccio di fabbricazione unico per tutti non funziona perché questi sottosistemi sono su scale diverse. La nostra intuizione chiave è stata quella di fondere i metodi di produzione additivi per ottenere i risultati desiderati, quindi trovare una procedura per interfacciarsi tutto in modo che le parti lavorassero insieme nella maniera più efficiente possibile», afferma il dottor Velásquez-García.
Per raggiungere questo obiettivo, i ricercatori hanno utilizzato due diversi tipi di stampa di polimerizzazione fotografica IVA (VPP). VPP prevede la luce brillante su una resina fotosensibile, che si solidifica per formare strutture 3D con caratteristiche lisce e ad alta risoluzione.
I ricercatori hanno fabbricato i moduli di emettitore usando un metodo VPP chiamato stampa a due fotoni. Questa tecnica utilizza un raggio laser altamente focalizzato per solidificare la resina in un'area definita con precisione, costruendo una struttura 3D costituente un piccolo mattone o voxel, alla volta. Questo livello di dettaglio ha permesso loro di produrre punte di emettitore estremamente affilate e capillari stretti e uniformi per trasportare propellente.
I moduli di emettitore sono inseriti in un involucro rettangolare chiamato 'manifold block', che tiene ciascuno in posizione e fornisce gli emettitori con propellente. Il blocco collettore integra anche i moduli di emettitore con l'elettrodo di estrattore che innesca l'espulsione propellente dalle punte degli emettitori quando viene applicata una tensione adeguata. La fabbricazione del blocco collettore più grande utilizzando la stampa a due fotoni sarebbe impossibile a causa del basso rendimento del metodo e del volume di stampa limitato.
Invece, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata elaborazione della luce digitale, che utilizza un proiettore a dimensioni di un chip per far luce nella resina, consolidando uno strato della struttura 3D alla volta.
«Ogni tecnologia funziona molto bene su una certa scala. Combinandoli, quindi lavorano insieme per produrre un dispositivo, ci consente di prendere il meglio da ogni metodo», afferma Velásquez-García.
Presentando le prestazioni
Ma la stampa 3D i componenti del motore elettrospray è solo metà della battaglia. I ricercatori hanno anche condotto esperimenti chimici per garantire che i materiali di stampa fossero compatibili con il propellente liquido conduttivo. In caso contrario, il propellente potrebbe corrodere il motore, il che è indesiderabile per hardware destinato a funzionare a lungo termine con una manutenzione scarsa o nessuna.
Hanno anche sviluppato un metodo per bloccare le parti separate in modo da evitare disallineamenti che potrebbero ostacolare le prestazioni e garantire che il dispositivo rimane a tenuta stagna.
Alla fine, il loro prototipo stampato in 3D è stato in grado di generare una spinta in modo più efficiente rispetto ai razzi chimici più grandi e più costosi e ai motori elettrospray esistenti sovraperformati.
I ricercatori hanno anche studiato in che modo la regolazione della pressione del propellente e la modulazione della tensione applicata al motore ha influenzato il flusso di goccioline. Sorprendentemente, hanno ottenuto una gamma più ampia di spinta modulando la tensione. Ciò potrebbe eliminare la necessità di una rete complessa di tubi, valvole o segnali di pressione per regolare il flusso di liquido, portando a un thluster elettrospray più leggero ed economico che è anche più efficiente.
«Siamo stati in grado di dimostrare che un propulsore più semplice può ottenere risultati migliori», afferma Velásquez-García.
I ricercatori vogliono continuare a esplorare i vantaggi della modulazione di tensione nei lavori futuri. Vogliono anche fabbricare matrici più dense e più grandi di moduli emettitori. Inoltre, possono esplorare l'uso di più elettrodi per disaccoppiarsi il processo di innesco dell'espulsione elettroidrodinamica del propellente dall'impostazione della forma e della velocità del getto emesso. A lungo termine, sperano anche di dimostrare un CubeSat che utilizza un motore elettrospray stampato completamente in 3D durante il suo funzionamento e il deorbiting.
Questa ricerca è finanziata, in parte, da una borsa di studio di Mathworks e dal progetto NewsAT ed è stata realizzata, in parte, utilizzando le strutture MIT.Nano.
Riferimenti:
(1) Luis Fernando Velásquez-García
Descrizione foto: Dimostrato il primo motore elettrospray a emissione di gocce completamente stampato in 3D. Il dispositivo, che sarebbe l'ideale per consentire a piccoli satelliti di realizzare manovre in orbita, può essere prodotto per una frazione del costo dei propulsori tradizionali. - Credit: Per gentile concessione dei ricercatori.
Autore traduzione riassuntiva e adattamento linguistico: Edoardo Capuano / Articolo originale: MIT engineers develop a fully 3D-printed electrospray engine