ماهواره‌های کوچک CubeSat که اندازه‌ای به اندازه یک جعبه کفش دارند، در اکتشاف فضایی و جمع‌آوری داده‌های علمی اهمیت فزاینده‌ای پیدا کرده‌اند. اما این ماهواره‌های کوچک نیازمند سیستم‌های پیشران دقیق و کارآمد برای مانورهای مداری هستند.
یکی از راه‌حل‌های امیدبخش، موتورهای الکتراسپری هستند که از میدان‌های الکتریکی برای حرکت استفاده می‌کنند.
موتورهای الکتراسپری استاندارد مؤثر هستند، اما製造 پیچیده و پرهزینه بودن آنها استفاده‌شان را محدود می‌کند. MIT یک رویکرد جدید و نوآورانه برای رفع این محدودیت ایجاد کرده است.
مهندسان برای اولین بار یک موتور الکتراسپری کاملاً چاپ شده به‌صورت سه‌بعدی ایجاد کرده‌اند که قطرات را پخش می‌کند. به‌ویژه، تولید این دستگاه نوآورانه سریع و بسیار ارزان‌تر از پیشران‌های سنتی است.
این فناوری چاپ سه‌بعدی می‌تواند به فضانوردان امکان تولید موتورهای ماهواره‌ای در فضا را بدهد و نیاز به پرتاب از زمین را از بین ببرد.
تکنیک‌های پیشرفته چاپ سه‌بعدی
موتورهای الکتراسپری از میدان‌های الکتریکی برای ایجاد جت‌های پرسرعت از قطرات باردار استفاده می‌کنند تا فضاپیماها را جلو برانند. این موتورهای کوچک برای CubeSatها که در تحقیقات استفاده می‌شوند، مناسب هستند.
علاوه بر این، این موتورهای الکتراسپری بازده سوختی بیشتری نسبت به موشک‌های شیمیایی دارند و آنها را برای تنظیمات مداری ایده‌آل می‌سازد.
در این کار جدید، تیم پژوهشی دو روش چاپ سه‌بعدی مختلف را ترکیب کرد: چاپ دو فوتونی برای ماژول‌های انتشاردهنده پیچیده و پردازش نور دیجیتال برای بلوک توزیع بزرگتر.
این کار در ایجاد دستگاهی پیچیده با قطعات بزرگ و کوچک و در عین حال به هم پیوسته کمک کرد.
یک نمونه اولیه پیشران چاپ شده به‌صورت سه‌بعدی با ۳۲ انتشاردهنده الکتراسپری ساخته و آزمایش شد. این نشان داد که جریان پیشران پایدار و فشار یکسان یا بیشتری نسبت به موتورهاى الکتراسپری افت زیادشده ايجاد مى‌كند.
آرایه انتشاردهنده شامل هشت ماژول است که هر کدام شامل چهار انتشاردهنده منفرد می‌باشد. این ۳۲ انتشاردهنده باید به‌صورت هماهنگ به‌عنوان یک سیستم به هم پیوسته عمل کنند.
بهره‌وری بیشتر فشار
ماژول‌های انتشاردهنده با استفاده از چاپ دو فوتونی ساخته شدند، که از یک لیزر متمرکز برای جامد کردن رزین استفاده می‌کند. این روش دقیق، ایجاد نوک‌های تیز انتشاردهنده و کانال‌های پیوسته و باریک برای پیشران را ممکن ساخت.
ماژول‌های انتشاردهنده درون یک بلوک توزیع واقع شده‌اند که هم آنها را امنیت می‌بخشد و هم پیشران فراهم می‌کند.
به‌جای استفاده از چاپ دو فوتونی برای بلوک توزیع (به دلیل محدودیت‌های اندازه و بازده)، پژوهشگران از روش پردازش نور دیجیتال استفاده کردند. این روش رزین را لایه به لایه با استفاده از یک پروژکتور جامد می‌سازد.
«هر فناوری در یک مقیاس خاص بسیار خوب عمل می‌کند. ترکیب آنها، به‌طوری که با هم کار کنند تا یک دستگاه تولید کنند، به ما اجازه می‌دهد تا بهترین هر روش را به کار بگیریم،» گفت لوئیس فرناندو ولاسکس-گارسیا، دانشمند پژوهشگر اصلی در MIT.
پژوهشگران مواد چاپ سه‌بعدی را به‌منظور اطمینان از عدم واکنش با پیشران مایع رسانا آزمایش کردند. سازگاری برای جلوگيرى از خوردگی یا ترک خوردن بسیار مهم است.
در آزمایش‌های انجام‌شده، نمونه چاپ سه‌بعدی شده پیشران، بهره‌وری فشار بالاتری نسبت به موشک‌های شیمیایی بزرگ و گران‌قیمت‌تر ایفا کرد. علاوه بر این، عملکرد بهتری نسبت به موتورهاى افت زیادشده امروزی داشت.
جالب است که تنظیم ولتاژ امکان کنترل بیشتری بر فشار فرستاده را فراهم کرد. این تنظیم ولتاژ ممکن است طراحی موتور را ساده‌تر کرده و آن را سبک‌تر و مؤثرتر کند.
«ما توانستیم نشان دهیم که یک موتور ساده‌تر می‌تواند نتایج بهتری به دست آورد،» ولاسکس-گارسیا در بیانیه مطبوعاتی بیان کرد.
پژوهشگران در نهایت هدف دارند که نشان دهند یک CubeSat را با استفاده از موتور الکتراسپری چاپ سه‌بعدی‌شان برای همواره مانورهای عملیاتی و همچنین خروج از مدار استفاده کنند.
یافته‌ها در مجله Advanced Science منتشر شده‌اند.
