エレクトロスプレー・エンジンは導電性液体に電界をかけて、宇宙船を推進できる小さな液滴の高速ジェットを生成する。これらの小型エンジンは、学術研究でよく使用されるキューブサットと呼ばれる小型衛星に最適だ。
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エレクトロスプレー・エンジンは、発射台で使用される強力な化学ロケットよりも効率的に推進剤を使用するため、軌道上での精密な操縦に適している。エレクトロスプレー・エミッターによって生成される推力はごく小さいため、エレクトロスプレー・エンジンでは通常、均一に並列に動作するエミッターの配列が使用される。
しかし、これらの多重化エレクトロスプレー・スラスタは、通常、高価で時間のかかる半導体クリーンルーム製造によって製造されるため、誰が製造できるか、またどのようにデバイスを適用できるかが制限される。
宇宙研究の障壁を打ち破るために、MITのエンジニアは、初めて完全に3Dプリントされた液滴放出エレクトロスプレー・エンジンを実証した。このデバイスは、従来のスラスタの数分の1のコストで迅速に製造でき、市販の3Dプリント材料と技術を使用しているという。3Dプリントは宇宙での製造と互換性があるため、デバイスは軌道上で完全に製造することもできる。
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研究者たちは、2つの3D印刷方法を組み合わせたモジュール式プロセスを開発することで、シームレスに連携する必要があるマクロスケールとマイクロスケールのコンポーネントで構成される複雑なデバイスの製造に伴う課題を克服した。
彼らの概念実証スラスタは、32個のエレクトロスプレー・エミッターで構成されており、これらは連携して、安定した均一な推進剤の流れを生み出す。3Dプリントされたデバイスは、既存の液滴放出エレクトロスプレー・エンジンと同等以上の推力を生み出した。この技術により、宇宙飛行士は地球からエンジンが打ち上げられるのを待たずに、衛星用のエンジンを素早くプリントできる可能性があるという。
MITのマイクロシステム技術研究所（MTL）の主任研究科学者であり、Advanced Scienceに掲載されたスラスターに関する論文の主任著者であるルイス・フェルナンド・ベラスケス・ガルシア氏は次のようにコメントする。
半導体製造を利用することは、低コストで宇宙にアクセスするというアイデアとは相容れません。私たちは宇宙ハードウェアを民主化したいと考えています。この研究では、より多くのプレイヤーが利用できる製造技術を使用して高性能ハードウェアを作成する方法を提案しています。
この論文には、MITの機械工学の大学院生で主執筆者のヒョンソク・キム氏も参加している。
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モジュール式アプローチ
エレクトロスプレー・エンジンには推進剤の貯蔵庫があり、マイクロ流体チャネルを通って一連のエミッターに流れる。各エミッターの先端に静電場が適用され、電気流体力学的効果を引き起こして液体の自由表面を円錐形のメニスカスに形作り、その頂点から高速の帯電液滴の流れを噴射して推力を生み出す。
低電圧で電気流体力学的に推進剤を噴射するには、エミッターの先端をできるだけ鋭くする必要がある。また、このデバイスには、液体を貯蔵して流れを調整し、マイクロ流体チャネルを通じて推進剤を効率的に往復させるための複雑な油圧システムも必要だ。
エミッタアレイは8つのエミッタモジュールで構成されている。各エミッタモジュールには4つの個別のエミッタのアレイが含まれており、これらのエミッタは連携して動作し、相互接続されたモジュールの大規模なシステムを形成する。
ガルシア氏：これらのサブシステムは規模が異なるため、万能な製造アプローチを使用するのはうまくいきません。私たちの重要な洞察は、望ましい結果を達成するために積層造形法を組み合わせ、次にすべての部品が可能な限り効率的に連携するようにすべてを接続する方法を考え出すことでした。
これを実現するために、研究者らは2種類のバット光重合印刷（VPP）を利用した。VPPでは、感光性樹脂に光を当てて硬化させ、滑らかで高解像度の特徴を持つ3D構造を形成する。
研究者らは、2光子印刷と呼ばれるVPP法を使用してエミッター・モジュールを製造した。この技術では、高度に焦点を絞ったレーザービームを使用して、正確に定義された領域で樹脂を固め、一度に1つの小さなレンガ（ボクセル）を3D構造として構築する。この詳細レベルにより、非常に鋭いエミッター・チップと、推進剤を運ぶための細く均一な毛細管を製造できた。
エミッター・モジュールは、マニホールド・ブロックと呼ばれる長方形のケースに取り付けられており、このケースが各エミッターを所定の位置に保持し、エミッターに推進剤を供給する。
マニホールド・ブロックには、エミッター・モジュールとエクストラクター電極も組み込まれており、適切な電圧が印加されると、エミッターの先端から推進剤が噴射される。2光子印刷を使用してより大きなマニホールド・ブロックを製造することは、この方法のスループットが低く、印刷量が限られているため、実現不可能だ。
代わりに、研究者らは、チップサイズのプロジェクターを使用して樹脂に光を照射し、3D構造の層を1つずつ固めるデジタル光処理と呼ばれる技術を使用した。
ガルシア氏：それぞれの技術は、ある規模では非常にうまく機能します。それらを組み合わせて 1 つのデバイスを生産することで、それぞれの方法の長所を活かすことができるのです。
推進力のあるパフォーマンス
しかし、エレクトロスプレー・エンジン部品の3Dプリントは、まだ半分だという。研究者らは、プリント材料が導電性液体推進剤と互換性があることを確認するために化学実験も実施した。互換性がなければ、推進剤がエンジンを腐食させたり、エンジンにひび割れを引き起こしたりする可能性があり、メンテナンスをほとんどまたはまったく行わずに長期間稼働することを目的としたハードウェアにとっては望ましくない。
また、性能を低下させる可能性のある位置ずれを回避し、デバイスの防水性を確保する方法で、個別の部品を固定する方法も開発した。
最終的に、3Dプリントされたプロトタイプは、より大型で高価な化学ロケットよりも効率的に推力を発生させることができ、既存の液滴エレクトロスプレー・エンジンよりも優れた性能を発揮した。
研究者らは、推進剤の圧力調整とエンジンに印加される電圧の変調が液滴の流れにどのような影響を与えるかについても調査した。驚いたことに、電圧の変調によって、より広範囲の推力を実現できたという。これにより、液体の流れを調節するためのパイプ、バルブ、圧力信号の複雑なネットワークが不要になり、より軽量で安価な、より効率的なエレクトロスプレー推進装置が実現できる。
ガルシア氏：よりシンプルなスラスターでより良い結果が得られることを示すことができました。
研究者たちは、今後の研究でも電圧変調の利点を探求し続けたいと考えているという。また、より高密度で大型のエミッター・モジュール・アレイを製造したいとしている。さらに、複数の電極を使用して、推進剤の電気流体力学的噴射をトリガーするプロセスと、噴射されるジェットの形状と速度の設定を切り離すことも検討する予定だ。長期的には、完全に3Dプリントされたエレクトロスプレー・エンジンを運用中および軌道離脱中に使用するCubeSatを実証したいと考えている。
この研究は、MathWorksフェローシップとNewSatプロジェクトによって部分的に資金提供され、MIT.nano施設を使用して部分的に実施された。
