Ingenieros del MIT imprimen en 3D un motor de electrospray ideal para satélites pequeños
¿Qué son los motores de electrospray? Estos sistemas de propulsión consisten en aplicar un campo eléctrico a un líquido conductor, generando un chorro de alta velocidad de diminutas gotas capaces de propulsar una nave espacial. Estos motores en miniatura son especialmente adecuados para satélites pequeños, conocidos como CubeSats, que se utilizan en la investigación académica. Además, los motores de electrospray pueden utilizar el combustible de forma más eficiente que los cohetes químicos convencionales, lo que los hace especialmente adecuados para realizar movimientos precisos en órbita.
Tradicionalmente, el proceso de fabricación de los motores de electrospray es costoso y lento, requiere de salas blancas de semiconductores, lo que limita la gama de aplicaciones y hay pocos fabricantes. Para eludir este problema, los ingenieros del MIT desarrollaron un motor de electrospray fabricado íntegramente mediante impresión 3D.
Modelos CAD del propulsor de electrospray: a) despiece de un propulsor ensamblado compuesto por un bloque distribuidor, una matriz de módulos emisores y un electrodo extractor (durante los experimentos, el módulo emisor central se sustituyó por un módulo no funcional para garantizar un funcionamiento uniforme de los emisores en los otros ocho módulos emisores); b) primer plano de un módulo emisor compuesto por una matriz de cuatro emisores, cada uno alimentado por un capilar largo, estrecho y enrollado.
El motor electrospray funciona con una reserva de combustible que fluye hacia una serie de emisores a través de canales de microfluidos. En la parte superior de estos emisores se aplica un fuerte campo electrostático que desencadena un efecto electrohidrodinámico. A continuación, éste moldea el líquido en un cono que expulsa un chorro de gotas cargadas a alta velocidad desde su vértice, generando empuje.
Para imprimir en 3D los motores de electrospray, los investigadores necesitaron dos tipos de fotopolimerización. Para construir los módulos emisores utilizaron la polimerización de dos fotones, en la que un rayo láser altamente concentrado la resina líquida de forma selectiva. Gracias a esta precisión, produjeron puntas de emisor finas y capilares uniformes y estrechos para el transporte del propulsor.
Los módulos emisores se instalaron en un bloque distribuidor rectangular que los fija y les suministra propelente. Además, este bloque integra un electrodo extractor que, cuando se aplica una tensión adecuada, libera el propelente de las puntas del emisor. Dado que la impresión de dos fotones no habría sido eficiente para estructuras más grandes debido a su volumen de impresión limitado, se optó por una técnica alternativa: el bloque de distribución se fabricó utilizando el procesamiento de luz digital (DLP). Con este método, un proyector microscópico proyecta luz sobre la resina, curando toda una capa de la estructura 3D a la vez. Esta técnica permite una fabricar componentes más grandes con mayor rapidez y complementa a la impresión de dos fotones de alta precisión para obtener detalles más finos.
Posteriormente, los investigadores del MIT experimentaron para asegurarse de que los materiales de impresión 3D fueran compatibles con el propulsor líquido. También se desarrolló un método para unir con precisión los componentes individuales y evitar desalineaciones que pudieran afectar el rendimiento del sistema. En general, este estudio dio muestra de varias ventajas que tiene la impresión 3D: la reducción de costes, el uso de materiales y técnicas de fabricación disponibles en el mercado y, más adelante, la posibilidad de fabricar completamente en órbita. Esto permitiría a los astronautas producir sistemas de propulsión para satélites directamente en el espacio sin tener que esperar a que lleguen suministros de la Tierra.
Imágenes de un propulsor de electrospray impreso en 3D: b) foto de un dispositivo totalmente ensamblado junto a una moneda estadounidense; c) foto desde el lateral del dispositivo sin el electrodo extractor junto a una moneda estadounidense; d) foto en primer plano de un módulo emisor.
Al cabo, el prototipo de motor impreso en 3D del equipo del MIT generó un empuje más eficiente que los cohetes químicos, más grandes y caros, y superó a los motores de electrospray existentes. De cara al futuro, esperan realizar arreglos más densos de módulos emisores e investigar el uso de múltiples electrodos para mejorar la eficiencia y el rendimiento de los motores de electrospray. Puedes obtener más información sobre el proyecto aquí.
¿Qué opinas del motor de electrospray y de la aplicación de la impresión 3D? Deja tus comentarios en nuestras redes sociales: Facebook, LinkedIn y Youtube. ¿Te interesan las últimas noticias sobre la impresión 3D aeroespacial y de defensa? Haz clic aquí. Sigue toda la información sobre impresión 3D en nuestra Newsletter semanal.
*Créditos de todas las fotos: Hyeonseok Kim, Luis Fernando Velásquez-García
