Snel de ruimte in met 3D-geprinte elektrospraymotor

Ingenieurs van MIT hebben de eerste volledig in 3D geprinte, druppel-emitterende elektrospraymotor gemaakt. Deze kan snel en voor een fractie van de kosten van traditionele stuwraketten worden geproduceerd.

Een elektrospraymotor is een voortstuwingssysteem dat gebruikmaakt van het principe van elektrospray om stuwkracht te genereren. Geladen deeltjes of druppels worden door een sterk elektrisch veld versneld en weggeslingerd. Hierdoor ontstaat een terugslagkracht en kan een ruimtevaartuig worden voortgestuwd.

Miniatuurmotoren worden onder meer gebruikt in CubeSats. Elektrospraymotoren krijgen hier vaak de voorkeur, omdat ze brandstof efficiënter gebruiken dan conventionele chemische raketten.

Traditioneel worden ze vervaardigd in dure en tijdrovende cleanroom-productieprocessen voor halfgeleiders, waardoor de mogelijke toepassingen en het aantal fabrikanten beperkt zijn. Om dit probleem op te lossen, hebben MIT-ingenieurs nu een elektrospraymotor ontwikkeld die volledig met behulp van 3D-printing is vervaardigd.

Het apparaat kan snel en voor een fractie van de kosten van traditionele stuwraketten worden geproduceerd en maakt gebruik van commercieel verkrijgbare 3D-printmaterialen en -technieken. De apparaten zouden zelfs volledig in de ruimte kunnen worden gemaakt.

Door een modulair proces te ontwikkelen dat twee 3D-printmethoden combineert, overwonnen de onderzoekers de uitdagingen die gepaard gaan met de fabricage van een complex apparaat dat bestaat uit macro- en microschaalcomponenten die naadloos moeten samenwerken. Hun proof-of-concept-stuwraket bestaat uit 32 elektrospray-emitters die samenwerken en een stabiele en gelijkmatige stroom van brandstof genereren. Het 3D-geprinte apparaat genereerde evenveel of meer stuwkracht dan bestaande druppel-uitstotende elektrospraymotoren. Met deze technologie zouden astronauten snel een motor voor een satelliet kunnen printen, zonder dat ze hoeven te wachten tot er een vanaf de aarde de ruimte in wordt gestuurd.

Hoe het werkt

De elektrospraymotor werkt met een brandstoftoevoer die via microfluïdische kanalen naar een reeks emitters wordt geleid. Daar wordt een sterk elektrostatisch veld aangelegd, waardoor een elektrohydrodynamisch effect ontstaat. Hierdoor worden elektrisch geladen druppels met hoge snelheid weggeslingerd, waardoor er stuwkracht ontstaat.

Een emitter-set bestaat uit acht modules, waarbij elke module vier individuele emitters bevat. Deze moeten synchroon samenwerken. Voor de productie van de modules werden twee soorten fotopolymerisatieprint gebruikt. De onderzoekers maakten gebruik van tweefotonenprinten, waarbij een zeer gerichte laserstraal de vloeibare hars uithardt en de structuur laag voor laag opbouwt. Dankzij deze precisie konden ze extreem fijne emittertuiten en uniforme, smalle kanalen voor brandstoftransport produceren.

De emittermodules worden geïnstalleerd in een rechthoekig distributieblok dat ze op hun plaats houdt en ze van brandstof voorziet. Bovendien is in dit blok een extractorelektrode geïntegreerd die de brandstof uit de emittertuiten vrijgeeft wanneer er spanning wordt gegeven. Omdat tweefotonenprinten voor grotere structuren niet efficiënt zou zijn vanwege het beperkte printvolume, kozen ze voor een alternatieve techniek: het distributieblok werd vervaardigd met behulp van digitale lichtverwerking (DLP). Bij deze methode projecteert een microscopische projector licht op de hars, waardoor telkens één hele laag van de 3D-structuur wordt uitgehard. Deze techniek maakt een snellere productie van grotere componenten mogelijk, als aanvulling op het uiterst nauwkeurige tweefotonenprinten voor fijnere details.

Meer details over de materiaalkeuze zijn te vinden op Kunststof en Rubber