Наноспутниковый двигатель, созданный исследователями Массачусетского технологического института, является первым в своем роде двигателем, полностью аддитивным, с использованием комбинации 3D-печати и гидротермального роста нанопроволок оксида цинка. Это также первый двигатель такого типа, который производит чистые ионы из ионных жидкостей, используемых для создания тяги.
Чистые ионы делают двигатель более эффективным, чем аналогичные современные устройства, придавая ему большую тягу на единицу потока топлива, говорит Луис Фернандо Веласкес-Гарсия, главный научный сотрудник лаборатории Microsystems Technology Laboratories (MTL) Массачусетского технологического института.
Тяга, обеспечиваемая устройством, размером с десять центов, мизерная. Сила может быть измерена в масштабе нескольких десятков микроньютон, тяга примерно равна половине веса одного из семян кунжута в булочке для гамбургера. Но в среде орбиты без трения CubeSat или аналогичный небольшой спутник мог бы использовать эти крошечные толчки для ускорения или маневрирования с точным контролем.
Веласкес-Гарсиа говорит, что преимущества аддитивного производства открывают новые возможности с низкой стоимостью для питания спутников:
Если вы хотите серьезно относиться к разработке высокопроизводительного оборудования для космоса, вам действительно нужно подумать об оптимизации форм, материалов и всего, что составляет эти системы. 3D-печать может помочь во всем.
Веласкес-Гарсия и постдок MTL Дульсе Виридиана Мело Максимо описывают двигатель в декабрьском выпуске журнала Additive Manufacturing за 2020 год . Работа спонсировалась Программой MIT – Tecnológico de Monterrey по нанонауке и нанотехнологиям и программой MIT Portugal.
Миниатюрный двигатель малой тяги работает электрогидродинамически, производя мелкую струю ускоренных заряженных частиц, которые выбрасываются для создания движущей силы. Частицы происходят из своего рода жидкой соли, называемой ионной жидкостью.
В дизайне MIT корпус, напечатанный на 3D-принтере, содержит резервуар с ионной жидкостью вместе с миниатюрным лесом эмиттерных конусов, покрытых нанопроволокой из оксида цинка, гидротермально выращенной на поверхности конусов. Нанопроволоки действуют как фитили, транспортируя жидкость от резервуара к наконечникам эмиттера. При приложении напряжения между эмиттерами и вытяжным электродом, напечатанным на 3D-принтере, заряженные частицы выбрасываются из наконечников эмиттера. Исследователи экспериментировали с печатью излучателей из нержавеющей стали, а также из полимерной смолы.
Исследователи смогли обнаружить струю чистых ионов с помощью метода, называемого масс-спектрометрией, который может определять состав частиц на основе их молекулярной массы. Обычно электрораспыление, произведенное из ионных жидкостей, будет содержать ионы, а также другие частицы, состоящие из ионов, смешанных с нейтральными молекулами.
Струя чистых ионов стала неожиданностью, и исследовательская группа до сих пор не совсем понимает, как она была получена, хотя Веласкес-Гарсия и его коллеги считают, что нанопроволоки оксида цинка "являются секретным соусом". Создание струи чистых ионов означает, что двигатель малой тяги может более эффективно использовать топливо на борту, а эффективность топлива является ключевым для объектов на орбите, поскольку дозаправка спутников редко возможна, объясняет он. «Аппаратное обеспечение, которое вы размещаете в космосе, вы хотите использовать в течение многих, многих лет, поэтому я думаю, что это хорошая стратегия, позволяющая делать это эффективно».
По словам Веласкеса-Гарсиа, конструкции с электрораспылением могут найти множество применений за пределами космоса. Этот метод может излучать не только ионы, но и такие вещи, как нановолокна и капли. Вы можете использовать волокна для изготовления фильтров или электродов для хранения энергии или использовать капли для очистки морской воды путем удаления рассола. Вы также можете использовать электрораспылительные конструкции в камере сгорания, чтобы распылять топливо на очень маленькие и мелкие капли.
Подруливающее устройство с наноспутником является хорошим примером того, как аддитивное производство может производить устройства, которые персонализируются, настраиваются и изготавливаются из сложных многослойных структур с мелкими деталями, добавляет он. Вместо того, чтобы использовать дорогостоящую лазерную обработку или технологии чистых помещений для специализированного промышленного производства, он и его коллеги создали двигатель в основном на коммерческих принтерах, используя инструкции, которые можно широко распространять.
А поскольку эти методы относительно недорогие, быстрые и простые в использовании, Веласкес-Гарсия говорит, что конструкции можно «изысканно повторять» для улучшения характеристик и изучения удивительных эффектов, таких как эмиссия чистых ионов в случае нового двигателя малой тяги.
Преимущества микросистем для 3D-печати заключаются в более низких затратах и сокращении времени на прототипирование и разработку, а также в простоте сборки многоматериальных структур, — говорит Томаш Гржебик, профессор микросистем Вроцлавского университета науки и технологий, не принимавший участия в исследовании.
Технология 3D-печати также постоянно совершенствуется, потенциально делая возможным внедрение в ближайшем будущем еще более совершенных систем, которые имеют меньшие характеристики и изготовлены из лучших материалов. Мы находимся на пути к производству самого лучшего оборудования, которое может себе позволить гораздо больше людей.
