3D printani elektroraspršivački motor za satelite

Budući da "elektrosprejni" ili elektroraspršivački motori iskorištavaju pogonsko gorivo učinkovitije od moćnih kemijskih raketa koje se koriste na lansirnoj rampi, prikladniji su za precizne manevre u orbiti. Potisak koji stvara elektrosprej emiter je malen, tako da elektrosprejni motori obično koriste niz emitera koji ravnomjerno rade paralelno. 

Međutim, ovi višestruki potisnici s elektrosprejom obično se izrađuju skupom i dugotrajnom proizvodnjom poluvodiča u čistim sobama, što ograničava tko ih može proizvesti i kako se uređaji mogu primijeniti. 

Kako bi pomogli srušiti prepreke svemirskom istraživanju, inženjeri MIT-a demonstrirali su prvi potpuno 3D tiskani elektrosprej motor. Njihov uređaj, koji se može proizvesti brzo i za djelić cijene tradicionalnih potisnika, koristi komercijalno dostupne materijale i tehnike 3D ispisa. Uređaji bi se čak mogli u potpunosti izraditi u orbiti, budući da je 3D ispis kompatibilan s proizvodnjom u svemiru. 

Razvijanjem modularnog procesa koji kombinira dvije metode 3D ispisa, istraživači su prevladali izazove uključene u izradu složenog uređaja koji se sastoji od komponenti na makro i mikro razini koje moraju raditi zajedno besprijekorno. 

Njihov probni potisnik sastoji se od 32 elektrosprej emitera koji rade zajedno, generirajući stabilan i ujednačen protok pogonskog goriva. 3D ispisani uređaj generirao je isti ili veći potisak od postojećih elektrosprej motora. Uz ovu tehnologiju, astronauti bi mogli brzo ispisati motor za satelit bez potrebe za čekanjem da ga se šalje sa Zemlje. 

“Korištenje proizvodnje poluvodiča ne podudara se s idejom jeftinog pristupa svemiru. Želimo demokratizirati svemirski hardver. U ovom radu predlažemo način za izradu hardvera visokih performansi s proizvodnim tehnikama koje su dostupne svima,” kaže Luis Fernando Velásquez-García, glavni istraživač u američkom Microsystems Technology Laboratoriju (MTL) na Institutu tehnologije u Massachusettsu MIT i stariji autor rada objavljenog u časopisu Advanced Science. 

Motor s elektrosprejom ima spremnik pogonskog goriva koji teče kroz mikrofluidne kanale do niza emitera. Elektrostatsko polje primjenjuje se na vrh svakog emitera, izazivajući elektrohidrodinamički učinak, stvarajući potisak. 

Vrhovi emitera moraju biti što je moguće oštriji kako bi se postiglo elektrohidrodinamičko izbacivanje pogonskog goriva pri niskom naponu. Uređaj također zahtijeva složeni hidraulički sustav za pohranu i regulaciju protoka tekućine, učinkovito prebacujući pogonsko gorivo kroz mikrofluidne kanale. 

Emiterski niz se sastoji od osam emiterskih modula. Svaki odašiljački modul sadrži niz od četiri pojedinačna odašiljača koji moraju raditi usklađeno, tvoreći veći sustav međusobno povezanih modula. 

Istraživači su proizveli emiterske module koristeći VPP metodu koja se naziva dvofotonski ispis. Ova tehnika koristi visoko fokusiranu lasersku zraku za skrućivanje smole u točno određenom području, gradeći 3D strukturu jednu po jednu sićušnu ciglu ili voxel. Ova razina detalja omogućila im je izradu iznimno oštrih vrhova emitera i uskih, jednolikih kapilara za nošenje pogonskog goriva. 

Moduli emitera postavljeni su u pravokutno kućište koje se naziva razvodni blok, koji drži svaki na mjestu i opskrbljuje emitere pogonskim plinom. Blok razdjelnika također integrira emiterske module s ekstraktorskom elektrodom koja pokreće izbacivanje pogonskog goriva iz vrhova emitera kada se primijeni odgovarajući napon. Izrada većeg bloka razvodnika pomoću ispisa s dva fotona bila bi neizvediva zbog niske propusnosti metode i ograničenog volumena ispisa. 

Umjesto toga, istraživači su koristili tehniku ​​koja se zove digitalna obrada svjetla, koja koristi projektor veličine čipa za osvjetljavanje smole, učvršćujući jedan po jedan sloj 3D strukture. 

Istraživači su također proveli kemijske eksperimente kako bi osigurali da su materijali za ispis kompatibilni s vodljivim tekućim pogonskim gorivom. U suprotnom, pogonsko gorivo moglo bi nagrizati motor, što je nepoželjno za hardver namijenjen dugotrajnom radu s malo ili nimalo održavanja. 

Također su razvili metodu za stezanje odvojenih dijelova zajedno na način da se izbjegnu neusklađenosti koje bi mogle ugroziti izvedbu i osigurava vodonepropusnost uređaja. 

Na kraju, njihov 3D ispisani prototip uspio je generirati potisak učinkovitije od većih, skupljih kemijskih raketa i nadmašio je postojeće elektrosprejne motore s kapljicama. 

Dugoročno se nadaju da će demonstrirati CubeSat koji koristi potpuno 3D tiskani elektrosprej motor tijekom svog rada i deorbitiranja.