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麻省理工研究人员使用3D打印技术造出纳米卫星推进器!

2021年1月26日,南极熊获悉,麻省理工学院的研究人员使用3D打印技术制造出了纳米卫星推进器,使用3D打印和氧化锌纳米线的水热生长相结合的工艺。

这项研究是首次演示使用纯离子发射推进的全3D打印推进器,麻省理工学院微系统技术实验室(MTL)首席研究员Luis Fernando Velásquez-García表示:纯离子使推进器比类似的最先进设备更有效,使单位流量的推进剂具有更大的推力。

△发射纯离子流的3D打印纳米卫星推进器,采用3D打印和氧化锌纳米线水热生长相结合的方式。麻省理工学院的研究人员发现,不锈钢版本(上)整体效果更好,但生产成本更高,聚合物版本(下)以较低的成本产生了相当的性能。资料来源:Velásquez-García集团

这个装置提供的推力约为一角硬币大小,微乎其微。力量可以用几十微米纽扣的尺度来衡量,这个推力大约相当于汉堡包中一颗芝麻重量的一半。但在轨道的无摩擦环境中,CubeSat或类似的小型卫星可以利用这些微小的推力进行加速或精细控制的机动。

Velásquez-García表示,增材制造的优势为卫星的动力提供了新的低成本可能性。"如果你想认真开发太空的高性能硬件,你真的需要研究优化这些系统的形状,材料,一切组成。3D打印可以帮助解决所有这些问题。" 

Velásquez-García和MTL博士后Dulce Viridiana Melo Máximo在2020年12月的《增材制造》杂志上描述了推进器。这项工作得到了MIT-Tecnológico de Monterrey纳米科学和纳米技术项目和MIT葡萄牙项目的赞助。

纯离子推进器

微型推进器以电流体力学的方式运作,产生加速的带电粒子的细微喷流,喷出的粒子产生推进力。这些粒子来自一种叫做离子液体的液盐。

在麻省理工学院的设计中,3D打印的推进器内部有一个离子液体的储存器,以及一个微型发射器锥体的“森林”,锥体表面涂有水热生长的氧化锌纳米线。纳米线作为芯,将液体从储液器输送到发射器尖端。通过在发射器和3D打印的提取电极之间施加电压,带电粒子就会从发射器尖端喷射出来。研究人员试验了用不锈钢以及聚合物树脂打印发射器。

△3D打印的MEMS多路电喷雾离子液体离子源的3D示意图。(a)带有SS 316L制成的发射电极的器件的3D示意图。

(b)发射电极由FTD-IB制成的器件的三维示意图。

研究人员能够使用一种名为质谱法的技术来检测纯离子射流,这种技术能够根据颗粒的分子质量来识别颗粒的成分。通常情况下,离子液体产生的电射流会包含离子加上其他由离子与中性分子混合而成的物种。
纯离子喷射是一个惊喜,研究小组仍然不完全确定它是如何产生的,尽管Velásquez-García和他的同事认为氧化锌纳米线 "是秘诀",研究人员说:"我们相信,这与注入电荷的方式以及流体在将流体输送到发射点时与线材料相互作用的方式有关。"

产生纯离子的喷射意味着推进器可以更有效地利用推进剂,推进剂的效率对于轨道上的物体来说是关键。"你投入太空的硬件,你希望能得到很多很多年的使用时间,所以我认为这是一个很好的策略,可以有效地做到这一点。"

快速成型制造的优势

Velásquez-García说,电喷雾设计可以在太空之外有许多应用。"不仅可以发射离子,还可以发射纳米纤维和液滴等物质。你可以用纤维来制作过滤器,或用于储能的电极,或用液滴去除盐水来净化海水。你还可以在燃烧器中使用电喷雾设计,将燃料雾化成很小很细的液滴。"

纳米卫星推进器是一个很好的例子,说明了增材制造如何能够生产出 "个性化、定制化、由精细功能、复杂的多材料结构制成的设备"。他们没有使用昂贵的激光加工或洁净室技术进行专门的工业制造,而是主要在商业打印机上制造推进器。

而且由于这些技术相对便宜、快速和易于使用,Velásquez-García说,设计可以 "精致地迭代",以改进功能和探索令人惊讶的效果,例如新推进器中的纯离子发射。

弗罗茨瓦夫科技大学微系统教授Tomasz Grzebyk表示,3D打印微系统的优势包括更低的成本和更短的原型设计和开发时间,以及易于组装多材料结构。

"3D打印技术也在不断改进,有可能在不久的将来实现功能更小、材料更好的系统,我们正在按部就班地生产最好的硬件,让更多的人能够负担得起。"

参考文献 "Additively manufactured electrohydrodynamic ionic liquid pure-ion sources for nanosatellite propulsion" by Dulce Viridiana Melo Máximo and Luis Fernando Velásquez-García, 21 November 2020, Additive Manufacturing.

DOI: 10.1016/j.addma.2020.101719


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