Der Elektrospray-Motor und 3D-Druck als Schlüssel zur Zukunft der Raumfahrt
Ein Elektrospray-Motor ist ein Antriebssystem, das auf dem Prinzip des Elektrosprays basiert, um Schub zu erzeugen. Dabei werden geladene Teilchen oder Tröpfchen durch ein starkes elektrisches Feld beschleunigt und ausgestoßen, was eine Rückstoßkraft erzeugt und somit ein Raumfahrzeug antreiben kann. Miniaturmotoren eignen sich besonders gut für kleine Satelliten, die als CubeSats bezeichnet werden und unter anderem in der akademischen Forschung eingesetzt werden. Häufig werden Elektrospray-Triebwerke bevorzugt, da sie den Treibstoff effizienter nutzen als herkömmliche chemische Raketen, was sie besonders geeignet für Manöver im Orbit macht. Traditionell werden sie in teuren und zeitaufwändigen Halbleiter-Reinraumfertigungsverfahren hergestellt, was die Einsatzmöglichkeiten und die Zahl der Hersteller begrenzt. Um dieses Problem zu umgehen, haben MIT-Ingenieure nun einen Elektrospray-Motor entwickelt, der vollständig im 3D-Druckverfahren gefertigt wurde.
Der Elektrospray-Motor arbeitet mit einem Treibstoffvorrat, der über mikrofluidische Kanäle zu einer Reihe von Emittern geleitet wird. An der Spitze dieser Emitter wird ein starkes elektrostatisches Feld angelegt, das einen elektrohydrodynamischen Effekt auslöst. Dadurch werden elektrisch geladene Tröpfchen mit hoher Geschwindigkeit ausgestoßen, was Schub erzeugt. Ein Emitter-Array besteht aus acht Modulen, wobei jedes Modul vier einzelne Emitter enthält. Diese müssen synchron arbeiten, um ein größeres System aus mehreren Modulen zu bilden. Da herkömmliche Fertigungsmethoden aufgrund der unterschiedlichen Bauteilgrößen nicht praktikabel waren, kombinierten die Forscher verschiedene additive Herstellungsverfahren, um eine funktionierende Einheit zu schaffen. Für die Produktion der Emittermodule kamen so zwei Arten des Photopolymerisationsdrucks zum Einsatz. Die Forscher verwendeten den Zwei-Photonen-Druck, bei dem ein hochfokussierter Laserstrahl flüssiges Harz gezielt aushärtet, sodass die Struktur Schicht für Schicht aufgebaut wird. Dank dieser Präzision konnten sie extrem feine Emitterspitzen sowie gleichmäßige, schmale Kapillaren für den Treibstofftransport herstellen.
3D-CAD-Modelle des in dieser Studie untersuchten Elektrospray-Triebwerks: a) Explosionsdarstellung des zusammengesetzten Triebwerks mit Verteilerblock, Emittermodul-Array und Extraktorelektrode und b) Nahaufnahme eines Emittermoduls mit vier Emittern, die über eine Kapillare mit Treibstoff versorgt werden.
Die Emittermodule sind in einem rechteckigen Verteilerblock eingebaut, der sie fixiert und mit Treibmittel versorgt. Zusätzlich integriert dieser Block eine Extraktorelektrode, die bei Anlegen einer passenden Spannung den Treibstoff aus den Emitterspitzen herauslöst. Da der Zwei-Photonen-Druck für größere Strukturen aufgrund seines begrenzten Druckvolumens nicht effizient gewesen wäre, entschieden sie sich für eine alternative Technik: Der Verteilerblock wurde mithilfe des Digital Light Processing (DLP) gefertigt. Bei dieser Methode projiziert ein mikroskopisch kleiner Projektor Licht auf das Harz, wodurch jeweils eine ganze Schicht der 3D-Struktur auf einmal ausgehärtet wird. Diese Technik ermöglicht eine schnellere Herstellung größerer Bauteile und ergänzt so den hochpräzisen Zwei-Photonen-Druck für feinere Details.
Anschließend wurden Experimente durchgeführt, um sicherzustellen, dass die 3D-Druckmaterialien mit dem Flüssigkeitstreibstoff kompatibel sind. Zudem wurde eine Methode entwickelt, um die einzelnen Bauteile präzise miteinander zu verbinden und Fehlausrichtungen zu vermeiden, die die Leistung des Systems beeinträchtigen könnten. Insgesamt bietet der Einsatz des 3D-Drucks mehrere Vorteile: Er senkt die Kosten, ermöglicht die Verwendung kommerziell erhältlicher Materialien und Fertigungstechniken und könnte sogar die komplette Herstellung im Orbit ermöglichen. Dadurch hätten Astronauten die Möglichkeit, Antriebssysteme für Satelliten direkt im All zu produzieren, ohne auf Nachschublieferungen von der Erde warten zu müssen.
Optische Aufnahmen eines 3D-gedruckten Elektrospray-Triebwerks: b) Vollständig montiertes Gerät neben einer US-Quarter-Münze c) Seitenansicht des Geräts ohne Extraktorelektrode neben einer US-Quarter-Münze und d) Nahaufnahme eines Emittermoduls.
Zukünftig soll die Forschung in diesem Bereich weiter vorangetrieben werden. Ziel ist es, dichtere Anordnungen von Emittermodulen zu realisieren und den Einsatz mehrerer Elektroden zu erforschen, um die Effizienz und Leistung der Elektrospray-Motoren weiter zu verbessern. Mehr über das Projekt erfahren Sie HIER.
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*Alle Bildnachweise: Hyeonseok Kim, Luis Fernando Velásquez-García
