Un motore a ioni stampato in 3d per nanosatelliti dal MIT

Fonti di ioni puri liquidi ionici elettroidrodinamici prodotti in modo additivo per la propulsione dei nanosatelliti

GLI SCIENZIATI DEL MIT SVILUPPANO UN PROPULSORE PER NANOSATELLITI ALIMENTATO A IONI COMPLETAMENTE STAMPATO IN 3D

I ricercatori del Massachusetts Institute of Technology (MIT) hanno progettato e testato un nuovo sistema di propulsione satellitare a emissione di ioni stampato in 3D.

Il minuscolo propulsore, che si ritiene sia il primo dispositivo completamente stampato del suo genere, spara particelle ioniche cariche dai coni emettitori lungo il suo guscio esterno, per dargli alcuni micronewton di propulsione. Nell’ambiente privo di attrito dello spazio, questa potenza potrebbe dimostrarsi sufficiente per renderlo un’alternativa economica ed efficiente ai motori CubeSat convenzionali.

“Se vuoi essere serio nello sviluppo di hardware ad alte prestazioni per lo spazio, devi davvero cercare di ottimizzare le forme, i materiali, tutto ciò che compone questi sistemi”, ha detto il ricercatore capo del progetto Luis Fernando Velásquez-García. “La stampa 3D può aiutare con tutte queste cose.”

“L’HARDWARE CHE METTI NELLO SPAZIO, VUOI OTTENERE MOLTI, MOLTI ANNI DI UTILIZZO DA QUELLO, QUINDI QUESTA È UNA BUONA STRATEGIA PER FARLO IN MODO EFFICIENTE.”

I propulsori stampati in 3D dei ricercatori (nella foto) presentavano emettitori di ioni a forma di cono che forniscono loro una via per la propulsione. Immagine tramite MIT.
I vantaggi della propulsione ionica

Mentre il lancio di un carico utile nello spazio richiede l’uso di enormi razzi a propulsione chimica, una volta che sono effettivamente in orbita, la spinta richiesta per manovrarli è relativamente piccola. Di conseguenza, i propulsori elettrospray, che emettono flussi di particelle ad alta velocità per fornire spinta, rappresentano un’opzione interessante per l’uso nelle missioni satellitari “ride-share”.

I motori Electrospray sono particolarmente efficaci in tali applicazioni, poiché sono in grado di sparare particelle caricate positivamente o negativamente, semplicemente cambiando la loro polarità. Inoltre, il loro layout è adatto alla miniaturizzazione ed elimina la necessità di un neutralizzatore, rendendoli più affidabili ed efficienti in termini di consumo di carburante rispetto ai modelli convenzionali.

Tuttavia, sebbene negli ultimi anni siano stati costruiti numerosi sistemi a liquido, spesso sono stati creati tramite metodi sottrattivi costosi e dispendiosi in termini di tempo. Utilizzando la stampa 3D, gli scienziati affermano che ora è possibile “democratizzare” la tecnologia, abbreviare il processo di progettazione e produrre lotti di piccole e medie dimensioni.

“Poiché sono stati compiuti grandi progressi nella stampa 3D, i parametri dei dispositivi fabbricati utilizzando questo metodo stanno diventando simili a quelli ottenuti con tecniche molto più complesse, costose e limitate”, ha commentato Tomasz Grzebyk, professore presso l’ Università di Wroclaw . “Tutti questi vantaggi possono essere visti anche nei propulsori ionici sviluppati al MIT.”

I lanciatori erano in grado di sparare continuamente, lasciando solo piccoli residui di accumulo (nella foto) sulla loro scia. Foto tramite la rivista Additive Manufacturing.
I design additivi MIT “MEMS”

Nel loro studio, il team del MIT ha costruito due progetti di sistemi microelettromeccanici (MEMS): uno con un array di emettitori basato su SS 316L a getto di legante e un altro creato utilizzando un polimero acrilico. I dispositivi stessi presentavano ciascuno un connettore fluidico, un serbatoio di liquido e un involucro esterno, che includeva una serie incorporata di emettitori esterni a forma di cono.

Durante la produzione, il team ha scoperto che anche se entrambi gli emettitori avevano lo stesso design di base, il sistema polimerico richiedeva comunque l’uso di materiali di supporto. Ciò ha portato a leggere differenze nelle dimensioni finali dei prodotti e le punte più corte e affilate del dispositivo in metallo hanno alla fine consentito di emettere livelli di spinta più elevati rispetto all’iterazione in plastica.

In diverse ore di test, entrambi i sistemi si sono dimostrati in grado di funzionare senza cali di prestazioni, producendo solo un sottile strato di “crosta” che poteva essere facilmente rimosso. Inoltre, i due motori hanno prodotto una spinta massima per emettitore di 191,3 nN e 139,9 nN, dando loro un “impulso specifico” più elevato rispetto a molti dispositivi all’avanguardia.

Sebbene il MEMS metallico si sia dimostrato più potente della versione polimerica, il team ha concluso che quest’ultima potrebbe fornire un maggiore accesso alla tecnologia in futuro. Dati i vantaggi in termini di costi del loro elettrodo di plastica, gli scienziati sperano che alla fine fornisca una base per una serie di nuovi progetti guidati dal college e missioni spaziali orbitali.

Ascesa dei microsatelliti

La stampa 3D non viene utilizzata solo per la produzione di sistemi di lancio, ma per la fabbricazione di satelliti stessi, e numerose aziende hanno creato dispositivi più compatti ed efficienti di prima.

Il produttore di satelliti in miniatura Mini-Cubes , ad esempio, ha collaborato con l’ufficio di servizi CRP USA per stampare PocketQubes pronti per il volo in 3D . I dispositivi additivi, che hanno già superato un test di vibrazione della specifica NASA GEVS-7000, dovrebbero essere lanciati nel secondo trimestre del 2021.

Il produttore indiano di stampanti 3D 3Ding ha anche lavorato con gli studenti dell’Istituto di tecnologia e scienze Hindustan per stampare in 3D il satellite Jai Hind 1-S . Il CubeSat, che è stato creato nell’ambito del concorso globale Cubes in Space, pesava solo 33,3 grammi, rendendolo uno dei più leggeri al mondo.

Altrove, il produttore aerospaziale Thales Alenia Space ha integrato la stampa 3D nel processo di produzione dei suoi satelliti Spacebus NEO . Le parti prodotte con additivi sono state aggiunte con successo a un dispositivo di comunicazione Eutelsat commerciale lanciato nel 2019.

I risultati dei ricercatori sono descritti in dettaglio nel loro documento intitolato ” Fonti di ioni puri liquidi ionici elettroidrodinamici prodotti in modo additivo per la propulsione dei nanosatelliti. “La ricerca è stata coautrice di Dulce Viridiana Melo Máximo Luis Fernando Velásquez-García.

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