Sieht eher nach Bastelarbeit aus, könnte die Raumfahrt aber voranbringen: Eine Electrospray Engine für Satelliten aus dem 3D-Drucker. (Bild: MIT)
Forschende des Massachussets Institute of Technology (MIT) haben ein vollständig 3D-gedrucktes Elektrospray-Triebwerk entwickelt. Es ist ideal für den Antrieb winziger Satelliten. Die Antriebssysteme könnten an Bord eines Raumfahrzeugs hergestellt werden und kosten viel weniger als herkömmliche Triebwerke.
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Was ist ein Electrospray-Triebwerk?
Bei einem Elektrospray-Triebwerk wird ein elektrisches Feld an eine leitende Flüssigkeit angelegt, wodurch ein Hochgeschwindigkeitsstrahl aus winzigen Tröpfchen erzeugt wird, der ein Raumfahrzeug antreiben kann. Diese Miniaturtriebwerke sind ideal für kleine Satelliten, sogenannte CubeSats, die häufig in der akademischen Forschung eingesetzt werden. Diese Multiplex-Elektrospray-Düsen werden jedoch in der Regel in einer teuren und zeitaufwändigen Halbleiter-Reinraumfertigung hergestellt.
Um den Prozess einfacher zu machen, haben MIT-Ingenieure ein additives Fertigungsverfahren für die Electrospray-Düsen entwickelt, das auf kommerziell zugängliche 3D-Druckmaterialien und -techniken und die Herstellungskosten massiv senkt. Ihr Proof-of-Concept-Triebwerk besteht aus 32 Elektrospray-Emittern, die einen stabilen und gleichmäßigen Treibstoffstrom erzeugen und dabei genauso viel oder mehr Schubkraft erzeugen wie herkömmlich produzierte Elektrospray-Triebwerke.
Wie funktioniert ein Electrospray-Triebwerk genau?
Ein Elektrospray-Triebwerk verfügt über ein Reservoir mit Treibstoff, der durch mikrofluidische Kanäle zu einer Reihe von Emittern fließt. An der Spitze jedes Emitters wird ein elektrostatisches Feld angelegt, so dass ein Strom geladener Hochgeschwindigkeitströpfchen an der Spitze ausgestoßen wird und Schub erzeugt.
Die Spitzen der Emitter müssen so scharf wie möglich sein, um den elektrohydrodynamischen Ausstoß des Treibstoffs bei einer niedrigen Spannung zu erreichen. Die Vorrichtung erfordert außerdem ein komplexes hydraulisches System, um den Flüssigkeitsstrom zu speichern und zu regulieren und das Treibmittel effizient durch winzige Kanäle zu befördern.
Warum ist die additive Fertigung so schwierig?
"Ein einheitlicher Fertigungsansatz funktioniert nicht, da diese Teilsysteme unterschiedlich groß sind. Unsere wichtigste Erkenntnis war, additive Fertigungsmethoden zu kombinieren, um die gewünschten Ergebnisse zu erzielen", sagt Velásquez-García. So ist die Herstellung eines komplexen Systems, das aus makro- und mikroskaligen Komponenten besteht, gelungen:
- Die Forschenden nutzten zwei verschiedene Arten des VPP-Drucks (Vat Photo Polymerization Printing). Bei der VPP wird ein lichtempfindliches Harz mit Licht bestrahlt, das sich verfestigt und so 3D-Strukturen mit glatten, hochauflösenden Merkmalen bildet.
- Sie stellten die Emittermodule mit einer VPP-Methode her, die als Zwei-Photonen-Druck bezeichnet wird. Bei dieser Technik wird ein hoch fokussierter Laserstrahl verwendet, um das Harz in einem genau definierten Bereich zu verfestigen und eine 3D-Struktur Punkt für Punkt aufzubauen.
- Dank dieser Detailgenauigkeit konnten sie extrem scharfe Emitterspitzen und schmale, gleichmäßige Kapillaren für den Transport des Treibstoffs herstellen.
- Die Emittermodule werden in ein rechteckiges Gehäuse, den Verteilerblock, eingebaut, der jedes Modul an seinem Platz hält und die Emitter mit Treibstoff versorgt. Der Verteilerblock verbindet die Emittermodule auch mit der Extraktionselektrode, die den Ausstoß des Treibstoffs aus den Emitterspitzen auslöst, wenn Spannung angelegt wird.
- Die Herstellung des größeren Verteilerblocks mit Hilfe des Zwei-Photonen-Drucks wäre aufgrund des geringen Durchsatzes und des begrenzten Druckvolumens nicht machbar. Stattdessen verwendeten die Forscher Digital Light Processing, bei der ein Chip-basierter Projektor Licht in das Harz strahlt und eine Schicht der 3D-Struktur nach der anderen verfestigt.
Einfacherer Antrieb mit besseren Ergebnissen
Die Forscher untersuchten auch, wie sich die Anpassung des Treibstoffdrucks und die Modulation der an das Triebwerk angelegten Spannung auf den Tröpfchenstrom auswirkten. Überraschenderweise erreichten sie durch die Modulation der Spannung eine größere Bandbreite an Schubkraft. Das üblicherweise notwendige komplexes Netzwerk von Leitungen und Ventilen zur Regulierung des Flüssigkeitsstroms kann so überflüssig werden, was zu einem leichteren, billigeren und effizienteren Elektrospray-Thruster führen würde. "Wir konnten zeigen, dass ein einfacherer Thruster bessere Ergebnisse erzielen kann", sagt Velásquez-García.
