Inženýři MIT vyvinuli plně 3D tištěný elektrosprejový motor

Elektrosprejový motor využívá elektrické pole k urychlení vodivé kapaliny do vysokorychlostního proudu malých kapiček, které pohánějí kosmickou loď. Tyto miniaturní motory jsou ideální pro malé satelity typu CubeSat, často používané v akademickém výzkumu.

Protože elektrosprejové motory využívají pohonné hmoty efektivněji než silné chemické rakety používané při startu, jsou vhodnější pro přesné manévry na oběžné dráze. Tah generovaný elektrosprejovým emitorem je malý, takže elektrosprejové motory obvykle používají soustavu emitorů, které pracují rovnoměrně paralelně.

Nicméně, tyto multiplexované elektrosprejové motory se typicky vyrábějí drahou a časově náročnou výrobou v čistých prostorách pro polovodiče, což omezuje, kdo je může vyrábět a jak lze zařízení používat.

Aby se překonaly překážky v kosmickém výzkumu, inženýři MIT předvedli první plně 3D tištěný elektrosprejový motor s emisí kapiček. Jejich zařízení, které lze vyrábět rychle a za zlomek ceny tradičních motorů, využívá komerčně dostupné 3D tiskové materiály a techniky. Zařízení by dokonce bylo možné kompletně vyrobit na oběžné dráze, protože 3D tisk je kompatibilní s výrobou ve vesmíru.

Vývojem modulárního procesu, který kombinuje dvě metody 3D tisku, výzkumníci překonali výzvy spojené s výrobou složitého zařízení složeného z makroskopických a mikroskopických komponent, které musí bezproblémově spolupracovat.

Prototypový motor se skládá z 32 elektrosprejových emitorů, které pracují společně a generují stabilní a rovnoměrný tok pohonné hmoty. 3D tištěné zařízení vygenerovalo stejně velký nebo větší tah než stávající elektrosprejové motory s emisí kapiček. S touto technologií by astronauti mohli rychle vytisknout motor pro satelit, aniž by museli čekat na jeho odeslání ze Země.

„Použití výroby polovodičů neodpovídá myšlence nízkonákladového přístupu do vesmíru. Chceme demokratizovat kosmické technologie. V této práci navrhujeme způsob, jak vyrábět vysoce výkonné technologie pomocí výrobních technik, které jsou dostupnější pro více aktérů,“ říká Luis Fernando Velásquez-García, hlavní vědecký pracovník v laboratořích Microsystems Technology Laboratories (MTL) MIT a hlavní autor práce popisující tyto motory, která vyšla v časopise Advanced Science.

Na práci se podílel také hlavní autor Hyeonseok Kim, postgraduální student strojírenství na MIT.

Modulární přístup

Elektrosprejový motor má zásobník pohonné hmoty, která protéká mikrofluidními kanály k řadě emitorů. V špičce každého emitoru se aplikuje elektrostatické pole, které spouští elektrohydrodynamický efekt, který tvaruje volný povrch kapaliny do kuželovitého menisku, který z vrcholu vyvrhuje proud vysokorychlostních nabitých kapiček, čímž vytváří tah.

Špičky emitorů musí být co nejostřejší, aby se dosáhlo elektrohydrodynamického výstřiku pohonné hmoty při nízkém napětí. Zařízení také vyžaduje složitý hydraulický systém pro skladování a regulaci toku kapaliny, aby se pohonná hmota efektivně přepravovala mikrofluidními kanály.

Pole emitorů se skládá z osmi emiterových modulů. Každý emiterový modul obsahuje pole čtyř jednotlivých emitorů, které musí pracovat souběžně a tvoří tak větší systém propojených modulů.

„Použití univerzálního přístupu k výrobě nefunguje, protože tyto subsystémy jsou v různých měřítcích. Naším klíčovým poznatkem bylo smíchat metody aditivní výroby, aby se dosáhlo požadovaných výsledků, a poté najít způsob, jak vše propojit, aby součástky fungovaly co nejefektivněji,“ říká Velásquez-García.

K tomu výzkumníci použili dva různé typy fotopolymerizačního tisku z vany (VPP). VPP zahrnuje svícení na světelně citlivou pryskyřici, která ztuhne a vytvoří 3D struktury s hladkými, vysokorozlišovacími detaily.

Výzkumníci vyrobili emiterové moduly pomocí metody VPP zvané dvoufotonový tisk. Tato technika využívá vysoce zaostřený laserový paprsek k ztuhnutí pryskyřice v přesně definované oblasti, přičemž se 3D struktura vytváří po jednom malém dílku, nebo voxelu. Tato úroveň detailů jim umožnila vyrobit extrémně ostré špičky emitorů a úzké, rovnoměrné kapiláry pro vedení pohonné hmoty.

Emiterové moduly jsou upevněny do obdélníkového pouzdra zvaného rozdělovací blok, který je drží na místě a zásobuje emitory pohonnou hmotou. Rozdělovací blok také integruje emiterové moduly s extrakční elektrodou, která spouští výstřik pohonné hmoty ze špiček emitorů, když se aplikuje vhodné napětí. Výroba většího rozdělovacího bloku pomocí dvoufotonového tisku by byla neproveditelná kvůli nízké propustnosti metody a omezenému objemu tisku.

Místo toho výzkumníci použili techniku ​​zvanou digitální zpracování světla, která využívá čip s projektorem k osvětlení pryskyřice a ztuhnutí jedné vrstvy 3D struktury najednou.

„Každá technologie funguje velmi dobře v určitém měřítku. Jejich kombinace, takže pracují společně na výrobě jednoho zařízení, nám umožňuje využít to nejlepší z každé metody,“ říká Velásquez-García.

Výkon pohonu

Ale 3D tisk komponent elektrosprejového motoru je jen poloviční bitva. Výzkumníci také provedli chemické experimenty, aby zajistili, že tiskové materiály jsou kompatibilní s vodivou kapalnou pohonnou hmotou. Pokud ne, pohonná hmota by mohla motor korodovat nebo způsobit jeho prasknutí, což je nežádoucí u hardwaru určeného pro dlouhodobý provoz s malou nebo žádnou údržbou.

Také vyvinuli metodu, jak spojit jednotlivé díly tak, aby se zabránilo nesouososti, která by mohla snížit výkon, a zajistili tak, aby zařízení zůstalo vodotěsné.

Nakonec jejich 3D tištěný prototyp dokázal generovat tah efektivněji než větší a dražší chemické rakety a překonal stávající elektrosprejové motory s emisí kapiček.

Výzkumníci také zkoumali, jak nastavení tlaku pohonné hmoty a modulace napětí aplikovaného na motor ovlivňuje tok kapiček. Překvapivě dosáhli širšího rozsahu tahu modulací napětí. To by mohlo eliminovat potřebu komplexní sítě potrubí, ventilů nebo tlakových signálů pro regulaci toku kapaliny, což vede k lehčímu, levnějšímu a efektivnějšímu elektrosprejovému motoru.

„Dokázali jsme ukázat, že jednodušší motor může dosáhnout lepších výsledků,“ říká Velásquez-García.

Výzkumníci chtějí v budoucí práci dále zkoumat výhody modulace napětí. Chceme také vyrobit hustší a větší pole emiterových modulů. Kromě toho by mohli zkoumat použití více elektrod k oddělení procesu spouštění elektrohydrodynamického výstřiku pohonné hmoty od nastavení tvaru a rychlosti emitovaného proudu. V dlouhodobém horizontu také doufají, že předvedou CubeSat, který během svého provozu a deorbitování využívá plně 3D tištěný elektrosprejový motor.

Tento výzkum je částečně financován stipendiem MathWorks a projektem NewSat a částečně byl prováděn pomocí zařízení MIT.nano.