Ideales para propulsar pequeños satélites, estos dispositivos livianos podrían producirse a bordo de una nave espacial y costarían mucho menos que los propulsores tradicionales.
Un motor de electropulverización aplica un campo eléctrico a un líquido conductor, lo que genera un chorro de alta velocidad de gotitas diminutas que pueden propulsar una nave espacial. Estos motores en miniatura son ideales para los satélites pequeños llamados CubeSats, que suelen utilizarse en la investigación académica.
Dado que los motores de electropulverización utilizan el combustible de manera más eficiente que los potentes cohetes químicos que se utilizan en la plataforma de lanzamiento, son más adecuados para maniobras precisas en órbita. El empuje generado por un emisor de electropulverización es minúsculo, por lo que los motores de electropulverización suelen utilizar una serie de emisores que funcionan de manera uniforme en paralelo.
Sin embargo, estos propulsores de electrospray multiplexados generalmente se fabrican mediante una costosa y lenta fabricación en salas blancas de semiconductores, lo que limita quién puede fabricarlos y cómo se pueden aplicar los dispositivos.
Para contribuir a derribar las barreras de la investigación espacial, los ingenieros del MIT han presentado el primer motor de electropulverización que emite gotas de agua y está totalmente impreso en 3D. Su dispositivo, que se puede producir rápidamente y por una fracción del costo de los propulsores tradicionales, utiliza materiales y técnicas de impresión 3D comercialmente accesibles. Los dispositivos podrían incluso fabricarse íntegramente en órbita, ya que la impresión 3D es compatible con la fabricación en el espacio.
Al desarrollar un proceso modular que combina dos métodos de impresión 3D, los investigadores superaron los desafíos que implica la fabricación de un dispositivo complejo compuesto por componentes de macroescala y microescala que deben funcionar juntos sin problemas.
Su prototipo de propulsor consta de 32 emisores de electropulverización que funcionan juntos, generando un flujo de combustible estable y uniforme. El dispositivo impreso en 3D generó tanto o más empuje que los motores de electropulverización que emiten gotas existentes. Con esta tecnología, los astronautas podrían imprimir rápidamente un motor para un satélite sin necesidad de esperar a que se envíe uno desde la Tierra.
“El uso de la fabricación de semiconductores no coincide con la idea de un acceso de bajo coste al espacio. Queremos democratizar el hardware espacial. En este trabajo, proponemos una forma de fabricar hardware de alto rendimiento con técnicas de fabricación que estén disponibles para más participantes”, afirma Luis Fernando Velásquez-García, científico investigador principal de los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas (MTL) del MIT y autor principal de un artículo que describe los propulsores, que aparece en Advanced Science .
A él se suma en el artículo el autor principal Hyeonseok Kim, un estudiante de posgrado en ingeniería mecánica del MIT.
Un enfoque modular
Un motor de electropulverización tiene un depósito de propulsor que fluye a través de canales microfluídicos hacia una serie de emisores. Se aplica un campo electrostático en la punta de cada emisor, lo que desencadena un efecto electrohidrodinámico que moldea la superficie libre del líquido en un menisco en forma de cono que expulsa una corriente de gotas cargadas a alta velocidad desde su vértice, lo que produce empuje.
Las puntas de los emisores deben ser lo más afiladas posible para lograr la eyección electrohidrodinámica del propulsor a bajo voltaje. El dispositivo también requiere un sistema hidráulico complejo para almacenar y regular el flujo de líquido, transportando eficientemente el propulsor a través de canales microfluídicos.
El conjunto de emisores está compuesto por ocho módulos emisores. Cada módulo emisor contiene un conjunto de cuatro emisores individuales que deben funcionar al unísono, formando un sistema más grande de módulos interconectados.
“No funciona utilizar un enfoque de fabricación único para todos los casos porque estos subsistemas se encuentran en diferentes escalas. Nuestra idea clave fue combinar métodos de fabricación aditiva para lograr los resultados deseados y luego idear una forma de interconectar todo para que las piezas funcionen juntas de la manera más eficiente posible”, afirma Velásquez-García.
Para lograrlo, los investigadores utilizaron dos tipos diferentes de impresión por fotopolimerización en cuba (VPP). La VPP implica proyectar luz sobre una resina fotosensible, que se solidifica para formar estructuras 3D con características suaves y de alta resolución.
Los investigadores fabricaron los módulos emisores utilizando un método VPP llamado impresión de dos fotones. Esta técnica utiliza un haz láser muy enfocado para solidificar la resina en un área definida con precisión, construyendo una estructura 3D de a un pequeño ladrillo, o vóxel, a la vez. Este nivel de detalle les permitió producir puntas de emisor extremadamente afiladas y capilares estrechos y uniformes para transportar el propulsor.
Los módulos emisores están instalados en una carcasa rectangular llamada bloque colector, que los mantiene en su lugar y les suministra propelente. El bloque colector también integra los módulos emisores con el electrodo extractor que activa la expulsión de propelente de las puntas de los emisores cuando se aplica un voltaje adecuado. Fabricar el bloque colector más grande utilizando la impresión de dos fotones sería inviable debido al bajo rendimiento del método y al volumen de impresión limitado.
En lugar de ello, los investigadores utilizaron una técnica llamada procesamiento de luz digital, que utiliza un proyector del tamaño de un chip para proyectar luz sobre la resina, solidificando una capa de la estructura 3D a la vez.
“Cada tecnología funciona muy bien a una determinada escala. Al combinarlas para que funcionen juntas y produzcan un solo dispositivo, podemos aprovechar lo mejor de cada método”, afirma Velásquez-García.
Rendimiento de propulsión
Pero la impresión 3D de los componentes del motor por electropulverización es solo la mitad de la batalla. Los investigadores también realizaron experimentos químicos para garantizar que los materiales de impresión fueran compatibles con el propulsor líquido conductor. De lo contrario, el propulsor podría corroer el motor o provocar que se agriete, lo que no es deseable para el hardware destinado a un funcionamiento a largo plazo con poco o ningún mantenimiento.
También desarrollaron un método para sujetar las partes separadas de una manera que evita desalineaciones que podrían obstaculizar el rendimiento y garantiza que el dispositivo permanezca hermético.
Al final, su prototipo impreso en 3D fue capaz de generar empuje de manera más eficiente que los cohetes químicos más grandes y costosos y superó a los motores de electropulverización de gotas existentes.
Los investigadores también estudiaron cómo el ajuste de la presión del propulsor y la modulación del voltaje aplicado al motor afectaban el flujo de gotas. Sorprendentemente, lograron un rango más amplio de empuje modulando el voltaje. Esto podría eliminar la necesidad de una red compleja de tuberías, válvulas o señales de presión para regular el flujo de líquido, lo que daría lugar a un propulsor de electropulverización más ligero y económico que también es más eficiente.
“Hemos podido demostrar que un propulsor más simple puede lograr mejores resultados”, afirma Velásquez-García.
Los investigadores quieren seguir explorando los beneficios de la modulación de voltaje en trabajos futuros. También quieren fabricar conjuntos más densos y grandes de módulos emisores. Además, pueden explorar el uso de múltiples electrodos para disociar el proceso de activación de la eyección electrohidrodinámica del propulsor del establecimiento de la forma y la velocidad del chorro emitido. A largo plazo, también esperan demostrar un CubeSat que utilice un motor de electropulverización totalmente impreso en 3D durante su funcionamiento y desorbitación.
Esta investigación está financiada, en parte, por una beca de MathWorks y el Proyecto NewSat, y se llevó a cabo, en parte, utilizando las instalaciones de MIT.nano. MIT News. A. Z. Traducido al español
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