Gli ingegneri del MIT hanno sviluppato un motore elettrospray stampato in 3D, ideale per la propulsione di piccoli satelliti, che potrebbe essere prodotto direttamente a bordo dei veicoli spaziali riducendo notevolmente i costi.
I ricercatori del MIT hanno realizzato il primo motore elettrospray a emissione di goccioline per la propulsione di piccoli satelliti, completamente stampato in 3D. Il dispositivo, che può essere prodotto rapidamente e a una frazione del costo dei propulsori tradizionali, utilizza materiali e tecniche di stampa 3D accessibili in commercio. Il motore potrebbe essere realizzato anche in orbita, poiché la stampa 3D è compatibile con la produzione nello spazio.
I motori elettrospray applicano un campo elettrico a un liquido conduttivo, generando un getto ad alta velocità di minuscole goccioline che possono spingere un veicolo spaziale, e sono ideali per piccoli satelliti chiamati CubeSat, spesso utilizzati nella ricerca accademica.
Poiché i motori elettrospray utilizzano il propellente in modo più efficiente rispetto ai potenti razzi chimici utilizzati sulla rampa di lancio, sono più adatti a manovre precise in orbita. La spinta generata da un emettitore elettrospray è minuscola, quindi i motori elettrospray in genere utilizzano una serie di emettitori che vengono azionati uniformemente in parallelo.
Processo modulare con stampa 3D
Finora però la produzione di questi propulsori era stata limitata per i tempi lunghi e gli alti costi. Sviluppando un processo modulare che combina due metodi di stampa 3D, i ricercatori del Massachusetts Institute of Technology hanno superato le sfide legate alla fabbricazione di un dispositivo complesso composto da componenti in macroscala e microscala che devono funzionare insieme senza soluzione di continuità. Il propulsore proof-of-concept comprende 32 emettitori elettrospray che operano insieme, generando un flusso di propellente stabile e uniforme. Il dispositivo stampato in 3D ha generato una spinta pari o superiore a quella dei motori elettrospray a emissione di goccioline esistenti. Con questa tecnologia, gli astronauti potrebbero stampare rapidamente un motore per un satellite senza dover attendere che ne venga inviato uno dalla Terra.
“L’uso della produzione di semiconduttori non si sposa con l’idea di un accesso allo spazio a basso costo. Vogliamo democratizzare l’hardware spaziale. In questo lavoro, proponiamo un modo per realizzare hardware ad alte prestazioni con tecniche di produzione accessibili a più attori”, afferma Luis Fernando Velásquez-García, ricercatore del MIT.
Invece di usare un approccio unico, i ricercatori hanno utilizzato due diversi tipi di stampa a fotopolimerizzazione in vasca (VPP). La VPP prevede di illuminare una resina fotosensibile, che si solidifica per formare strutture 3D con caratteristiche lisce e ad alta risoluzione.
Le prestazioni di propulsione
Ma la stampa 3D dei componenti del motore elettrospray è solo metà del lavoro. 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 o causarne la rottura, il che è indesiderabile per l’hardware destinato a un funzionamento a lungo termine con poca o nessuna manutenzione. Hanno anche sviluppato un metodo per fissare insieme le parti separate in modo da evitare disallineamenti che potrebbero ostacolare le prestazioni e garantire che il dispositivo rimanga impermeabile. 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 costosi e ha superato le prestazioni dei motori elettrospray a goccioline esistenti.
I ricercatori del MIT hanno anche studiato come la regolazione della pressione del propellente e la modulazione della tensione applicata al motore influenzassero il flusso di goccioline. Sorprendentemente, hanno ottenuto una gamma più ampia di spinta modulando la tensione. Ciò potrebbe eliminare la necessità di una complessa rete di tubi, valvole o segnali di pressione per regolare il flusso di liquido, portando a un propulsore elettrospray più leggero ed economico che è anche più efficiente.
I ricercatori vogliono continuare a studiare i vantaggi della modulazione della tensione in lavori futuri. Vogliono anche fabbricare array più densi e più grandi di moduli emettitori. Inoltre, potrebbero esplorare l’uso di più elettrodi per disaccoppiare il processo di attivazione 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 completamente stampato in 3D durante il suo funzionamento e il deorbitamento.
Foto: Courtesy dei ricercatori
