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MITエンジニアは、3Dプリントされたエレクトロスプレーエンジンを発表します

エレクトロスプレーエンジンは電界を導電性液体に適用し、宇宙船を推進できる小さな液滴の高速ジェットを生成します。これらのミニチュアエンジンは、学術研究でよく使用されるキューブサットと呼ばれる小さな衛星に最適です。エレクトロスプレーエンジンは、ランチパッドで使用される強力な化学ロケットよりも効率的に推進剤を利用するため、正確で軌道内の操作により適しています。エレクトロスプレーエミッターによって生成されるスラストは小さいため、エレクトロスプレーエンジンは通常、並行して均一に動作するエミッターの配列を使用します。ただし、これらの多重化されたエレクトロスプレースラスタは、通常、高価で時間のかかる半導体クリーンルーム製造を介して作成されます。MITエンジニアは、宇宙調査の障壁を分解するために、最初の完全に3Dプリントされた液滴エレクトロスプレーエンジンを実証しました。彼らのデバイスは、迅速に、そして従来のスラスタのコストのほんの一部で生産でき、商業的にアクセス可能な3D印刷材料と技術を使用します。 3Dプリントは空間製造と互換性があるため、デバイスは軌道で完全に作ることさえできます。2つの3D印刷方法を組み合わせたモジュラープロセスを開発することにより、研究者は、マクロスケールとマイクロスケールコンポーネントで構成される複雑なデバイスの製造に伴う課題を克服しました。彼らの概念実証スラスタは、一緒に動作する32のエレクトロスプレーエミッターで構成され、推進剤の安定した均一な流れが生成されます。 3Dプリントされたデバイスは、既存の液滴エレクトロスプレーエンジンと同じくらいの推力またはそれ以上の推力を生成しました。この技術により、宇宙飛行士は、地球から送られるのを待つことなく、衛星用のエンジンをすばやく印刷するかもしれません。「半導体の製造を使用することは、スペースへの低コストのアクセスのアイデアと一致しません。スペースハードウェアを民主化したいと考えています。この作業では、より多くのために利用可能な製造技術で高性能ハードウェアを作成する方法を提案しています。プレイヤーは、MITのMicrosystems Technology Laboratories（MTL）の主要な研究科学者であり、スラスタを説明する論文の上級著者であるLuis FernandoVelásquez-Garcíaは言います。 Advanced Scienceに登場します 。彼は、機械工学のMIT大学院生であるHeeonsok Kimの主任著者によって紙に加わりました。モジュラーアプローチエレクトロスプレーエンジンには、マイクロ流体チャネルを介して一連のエミッターに流れる推進剤の貯水池があります。静電フィールドは各エミッターの先端に適用され、液体の自由表面を頂点から高速帯電した液滴の流れを排出し、推力を生成する電気水力学効果を引き起こします。エミッタのヒントは、低電圧で推進剤の電気水力学的放出を達成するために、できるだけ鋭くする必要があります。また、このデバイスは、液体の流れを保存および調節するための複雑な油圧システムを必要とし、マイクロ流体チャネルを介して推進剤を効率的に閉鎖します。エミッターアレイは、8つのエミッターモジュールで構成されています。各エミッタモジュールには、一斉に動作しなければならない4つの個別のエミッターの配列が含まれており、相互接続されたモジュールのより大きなシステムを形成します。「これらのサブシステムは異なるスケールにあるため、1つのサイズのファブリケーションアプローチを使用することは機能しません。私たちの重要な洞察は、添加剤の製造方法をブレンドして望ましい結果を達成し、すべてをインターフェイスする方法を考え出すことでした。部品は可能な限り効率的に連携しています」とベラスケス・ガルシアは言います。これを達成するために、研究者は2種類のVAT写真重合印刷（VPP）を利用しました。 VPPは光感受性樹脂に光を当てることを伴い、滑らかで高解像度の特徴を備えた3D構造を形成するために固まります。研究者は、2光子印刷と呼ばれるVPPメソッドを使用してエミッターモジュールを製造しました。この手法は、高度に焦点を絞ったレーザービームを利用して、正確に定義された領域で樹脂を固め、3D構造を1つの小さなレンガ、またはボクセルを一度に構築します。このレベルの詳細により、非常に鋭いエミッタのヒントと狭く均一な毛細血管を生成して、推進剤を運ぶことができました。エミッタモジュールは、マニホールドブロックと呼ばれる長方形のケーシングに取り付けられ、それぞれを所定の位置に保持し、エミッターに推進剤を供給します。また、マニホールドブロックは、適切な電圧が印加されたときにエミッタの先端から推進剤排出をトリガーする抽出器電極とエミッターモジュールを統合します。 2光子印刷を使用して大きなマニホールドブロックを製造することは、メソッドのスループットが低く、印刷量が限られているため、実行不可能です。代わりに、研究者はデジタル光処理と呼ばれる手法を使用しました。これは、チップサイズのプロジェクターを利用して樹脂に光を当て、3D構造の1つの層を一度に固めました。「各テクノロジーは特定のスケールで非常にうまく機能します。それらを組み合わせて、1つのデバイスを生産するために協力して、各方法を最大限に活用できるようになります」とVelásquez-Garcíaは言います。推進パフォーマンスしかし、3D印刷エレクトロスプレーエンジンコンポーネントは、戦闘の半分にすぎません。また、研究者は化学実験を実施して、印刷材料が導電性液体推進剤と互換性があることを確認しました。そうでない場合、推進剤はエンジンを腐食させたり、亀裂を引き起こしたりする可能性があります。これは、メンテナンスがほとんどないかまったくない長期操作を目的としたハードウェアにとって望ましくありません。彼らはまた、パフォーマンスを妨げ、デバイスが水密のままであることを保証する可能性のある不整合を回避する方法で、別々の部品を一緒にクランプする方法を開発しました。最終的に、彼らの3Dプリントされたプロトタイプは、より大きく、より高価な化学ロケットよりも効率的に推力を生成し、既存の液滴エレクトロスプレーエンジンを上回ることができました。研究者はまた、推進剤の圧力を調整し、エンジンに適用される電圧を調節する方法を調査しました。驚くべきことに、彼らは電圧を変調することにより、より広い範囲の推力を達成しました。これにより、液体の流れを調節するためのパイプ、バルブ、または圧力信号の複雑なネットワークが必要になり、より効率的なより軽量で安価なエレクトロスプレースラスタになります。「よりシンプルなスラスタがより良い結果を達成できることを示すことができました」とVelásquez-Garcíaは言います。研究者は、将来の仕事における電圧変調の利点を調査し続けたいと考えています。また、エミッタモジュールの密度が高いアレイを製造したいと考えています。さらに、複数の電極の使用を調査して、放射ジェットの形状と速度を設定することから推進剤の電気水力学的排出のトリガープロセスを分離することができます。長い目で見れば、彼らはまた、その動作と枯渇中に完全に3Dプリントされたエレクトロスプレーエンジンを利用するキューブサットを実証することを望んでいます。この研究は、一部はMathworks FellowshipとNewsatプロジェクトによって資金提供されており、Mit.nano施設を使用して部分的に実行されました。 #MITエンジニアは3Dプリントされたエレクトロスプレーエンジンを発表します