麻省理工3D打印制造納米衛(wèi)星推進(jìn)器，發(fā)射純離子進(jìn)行推進(jìn)

2021年1月26日，南極熊獲悉，麻省理工學(xué)院的研究人員使用3D打印技術(shù)制造出了納米衛(wèi)星推進(jìn)器，使用3D打印和氧化鋅納米線的水熱生長(zhǎng)相結(jié)合的工藝。

這項(xiàng)研究是首次演示使用純離子發(fā)射推進(jìn)的全3D打印推進(jìn)器，麻省理工學(xué)院微系統(tǒng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室(MTL)首席研究員Luis Fernando Velásquez-García表示：純離子使推進(jìn)器比類似的最先進(jìn)設(shè)備更有效，使單位流量的推進(jìn)劑具有更大的推力。

△發(fā)射純離子流的3D打印納米衛(wèi)星推進(jìn)器，采用3D打印和氧化鋅納米線水熱生長(zhǎng)相結(jié)合的方式。麻省理工學(xué)院的研究人員發(fā)現(xiàn)，不銹鋼版本（上）整體效果更好，但生產(chǎn)成本更高，聚合物版本（下）以較低的成本產(chǎn)生了相當(dāng)?shù)男阅�。資料來(lái)源：Velásquez-García集團(tuán)

這個(gè)裝置提供的推力約為一角硬幣大小，微乎其微。力量可以用幾十微米紐扣的尺度來(lái)衡量，這個(gè)推力大約相當(dāng)于漢堡包中一顆芝麻重量的一半。但在軌道的無(wú)摩擦環(huán)境中，CubeSat或類似的小型衛(wèi)星可以利用這些微小的推力進(jìn)行加速或精細(xì)控制的機(jī)動(dòng)。

Velásquez-García表示，增材制造的優(yōu)勢(shì)為衛(wèi)星的動(dòng)力提供了新的低成本可能性。"如果你想認(rèn)真開(kāi)發(fā)太空的高性能硬件，你真的需要研究?jī)?yōu)化這些系統(tǒng)的形狀，材料，一切組成。3D打印可以幫助解決所有這些問(wèn)題。"

Velásquez-García和MTL博士后Dulce Viridiana Melo Máximo在2020年12月的《增材制造》雜志上描述了推進(jìn)器。這項(xiàng)工作得到了MIT-Tecnológico de Monterrey納米科學(xué)和納米技術(shù)項(xiàng)目和MIT葡萄牙項(xiàng)目的贊助。

純離子推進(jìn)器

微型推進(jìn)器以電流體力學(xué)的方式運(yùn)作，產(chǎn)生加速的帶電粒子的細(xì)微噴流，噴出的粒子產(chǎn)生推進(jìn)力。這些粒子來(lái)自一種叫做離子液體的液鹽。

在麻省理工學(xué)院的設(shè)計(jì)中，3D打印的推進(jìn)器內(nèi)部有一個(gè)離子液體的儲(chǔ)存器，以及一個(gè)微型發(fā)射器錐體的“森林”，錐體表面涂有水熱生長(zhǎng)的氧化鋅納米線。納米線作為芯，將液體從儲(chǔ)液器輸送到發(fā)射器尖端。通過(guò)在發(fā)射器和3D打印的提取電極之間施加電壓，帶電粒子就會(huì)從發(fā)射器尖端噴射出來(lái)。研究人員試驗(yàn)了用不銹鋼以及聚合物樹(shù)脂打印發(fā)射器。

△3D打印的MEMS多路電噴霧離子液體離子源的3D示意圖。(a)帶有SS 316L制成的發(fā)射電極的器件的3D示意圖。

(b)發(fā)射電極由FTD-IB制成的器件的三維示意圖。

研究人員能夠使用一種名為質(zhì)譜法的技術(shù)來(lái)檢測(cè)純離子射流，這種技術(shù)能夠根據(jù)顆粒的分子質(zhì)量來(lái)識(shí)別顆粒的成分。通常情況下，離子液體產(chǎn)生的電射流會(huì)包含離子加上其他由離子與中性分子混合而成的物種。

純離子噴射是一個(gè)驚喜，研究小組仍然不完全確定它是如何產(chǎn)生的，盡管Velásquez-García和他的同事認(rèn)為氧化鋅納米線 "是秘訣"，研究人員說(shuō)："我們相信，這與注入電荷的方式以及流體在將流體輸送到發(fā)射點(diǎn)時(shí)與線材料相互作用的方式有關(guān)。"

產(chǎn)生純離子的噴射意味著推進(jìn)器可以更有效地利用推進(jìn)劑，推進(jìn)劑的效率對(duì)于軌道上的物體來(lái)說(shuō)是關(guān)鍵。"你投入太空的硬件，你希望能得到很多很多年的使用時(shí)間，所以我認(rèn)為這是一個(gè)很好的策略，可以有效地做到這一點(diǎn)。"

快速成型制造的優(yōu)勢(shì)

Velásquez-García說(shuō)，電噴霧設(shè)計(jì)可以在太空之外有許多應(yīng)用。 "不僅可以發(fā)射離子，還可以發(fā)射納米纖維和液滴等物質(zhì)。你可以用纖維來(lái)制作過(guò)濾器，或用于儲(chǔ)能的電極，或用液滴去除鹽水來(lái)凈化海水。你還可以在燃燒器中使用電噴霧設(shè)計(jì)，將燃料霧化成很小很細(xì)的液滴。"

納米衛(wèi)星推進(jìn)器是一個(gè)很好的例子，說(shuō)明了增材制造如何能夠生產(chǎn)出 "個(gè)性化、定制化、由精細(xì)功能、復(fù)雜的多材料結(jié)構(gòu)制成的設(shè)備"。他們沒(méi)有使用昂貴的激光加工或潔凈室技術(shù)進(jìn)行專門的工業(yè)制造，而是主要在商業(yè)打印機(jī)上制造推進(jìn)器。

而且由于這些技術(shù)相對(duì)便宜、快速和易于使用，Velásquez-García說(shuō)，設(shè)計(jì)可以 "精致地迭代"，以改進(jìn)功能和探索令人驚訝的效果，例如新推進(jìn)器中的純離子發(fā)射。

弗羅茨瓦夫科技大學(xué)微系統(tǒng)教授Tomasz Grzebyk表示，3D打印微系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)包括更低的成本和更短的原型設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)時(shí)間，以及易于組裝多材料結(jié)構(gòu)。

"3D打印技術(shù)也在不斷改進(jìn)，有可能在不久的將來(lái)實(shí)現(xiàn)功能更小、材料更好的系統(tǒng)，我們正在按部就班地生產(chǎn)最好的硬件，讓更多的人能夠負(fù)擔(dān)得起。"

參考文獻(xiàn) "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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