麻省理工3D打印制造納米衛(wèi)星推進器，發(fā)射純離子進行推進

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

這項研究是首次演示使用純離子發(fā)射推進的全3D打印推進器,，麻省理工學院微系統(tǒng)技術實驗室(MTL)首席研究員Luis Fernando Velásquez-García表示：純離子使推進器比類似的最先進設備更有效，使單位流量的推進劑具有更大的推力,。

△發(fā)射純離子流的3D打印納米衛(wèi)星推進器,，采用3D打印和氧化鋅納米線水熱生長相結(jié)合的方式。麻省理工學院的研究人員發(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?shù)男阅�,。資料來源：Velásquez-García集團

這個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衡量,，這個推力大約相當于漢堡包中一顆芝麻重量的一半,。但在軌道的無摩擦環(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行加速或精細控制的機動,。

Velásquez-García表示,，增材制造的優(yōu)勢為衛(wèi)星的動力提供了新的低成本可能性。"如果你想認真開發(fā)太空的高性能硬件,，你真的需要研究優(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》雜志上描述了推進器。這項工作得到了MIT-Tecnológico de Monterrey納米科學和納米技術項目和MIT葡萄牙項目的贊助,。

純離子推進器

微型推進器以電流體力學的方式運作,，產(chǎn)生加速的帶電粒子的細微噴流，噴出的粒子產(chǎn)生推進力,。這些粒子來自一種叫做離子液體的液鹽,。

在麻省理工學院的設計中，3D打印的推進器內(nèi)部有一個離子液體的儲存器,，以及一個微型發(fā)射器錐體的“森林”，錐體表面涂有水熱生長的氧化鋅納米線,。納米線作為芯,，將液體從儲液器輸送到發(fā)射器尖端,。通過在發(fā)射器和3D打印的提取電極之間施加電壓，帶電粒子就會從發(fā)射器尖端噴射出來,。研究人員試驗了用不銹鋼以及聚合物樹脂打印發(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)譜法的技術來檢測純離子射流，這種技術能夠根據(jù)顆粒的分子質(zhì)量來識別顆粒的成分,。通常情況下,，離子液體產(chǎn)生的電射流會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和他的同事認為氧化鋅納米線 "是秘訣"，研究人員說："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)射點時與線材料相互作用的方式有關,。"

產(chǎn)生純離子的噴射意味著推進器可以更有效地利用推進劑，推進劑的效率對于軌道上的物體來說是關鍵,。"你投入太空的硬件,，你希望能得到很多很多年的使用時間，所以我認為這是一個很好的策略,，可以有效地做到這一點,。"

快速成型制造的優(yōu)勢

Velásquez-García說，電噴霧設計可以在太空之外有許多應用,。 "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)。你可以用纖維來制作過濾器,，或用于儲能的電極,，或用液滴去除鹽水來凈化海水。你還可以在燃燒器中使用電噴霧設計,，將燃料霧化成很小很細的液滴,。"

納米衛(wèi)星推進器是一個很好的例子，說明了增材制造如何能夠生產(chǎn)出 "個性化,、定制化,、由精細功能、復雜的多材料結(jié)構制成的設備",。他們沒有使用昂貴的激光加工或潔凈室技術進行專門的工業(yè)制造,，而是主要在商業(yè)打印機上制造推進器。

而且由于這些技術相對便宜,、快速和易于使用,，Velásquez-García說,，設計可以 "精致地迭代"，以改進功能和探索令人驚訝的效果,，例如新推進器中的純離子發(fā)射,。

弗羅茨瓦夫科技大學微系統(tǒng)教授Tomasz Grzebyk表示，3D打印微系統(tǒng)的優(yōu)勢包括更低的成本和更短的原型設計和開發(fā)時間,，以及易于組裝多材料結(jié)構,。

"3D打印技術也在不斷改進，有可能在不久的將來實現(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，讓更多的人能夠負擔得起,。"

參考文獻 "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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