Ideali per la propulsione di piccoli satelliti, i motori elettrospray sono dispositivi leggeri che potrebbero essere prodotti a bordo di un veicolo spaziale e costare molto meno dei propulsori tradizionali.
di Carla Devecchi
Nel panorama attuale dell’esplorazione spaziale, la miniaturizzazione e l’efficienza delle tecnologie propulsive rappresentano una delle frontiere più avanzate della ricerca. Con l’aumento dell’uso dei CubeSat, piccoli satelliti che stanno rivoluzionando il modo in cui conduciamo missioni scientifiche e commerciali, emerge la necessità di soluzioni propulsive innovative, economiche e facilmente accessibili. È in questo contesto che i motori elettrospray si distinguono come una promettente tecnologia. Con la capacità di generare spinte microscopiche attraverso goccioline di liquido conduttivo, questi motori offrono un’alternativa interessante ai tradizionali razzi chimici, soprattutto per le manovre precise in orbita.
Cosa sono i motori elettrospray
Un motore elettrospray applica un campo elettrico a un liquido conduttivo, generando un getto ad alta velocità di minuscole goccioline che possono spingere un veicolo spaziale. Questi motori in miniatura sono ideali per piccoli satelliti chiamati CubeSat, frequentemente utilizzati nella ricerca accademica. Poiché i motori elettrospray utilizzano il propellente in modo più efficiente rispetto ai potenti razzi chimici, essi sono più adatti per manovre precise in orbita. Tuttavia, la spinta generata da un emettitore elettrospray è minuscola, richiedendo una serie di emettitori azionati uniformemente in parallelo per un’efficace propulsione. Questi propulsori multiplex vengono solitamente realizzati attraverso una costosa e lunga fabbricazione di semiconduttori in camera bianca, limitando la produzione e le modalità di applicazione.
Credito: Per gentile concessione dei ricercatori
L’innovazione dei motori elettrospray all’MIT
Per superare queste limitazioni, gli ingegneri del MIT hanno realizzato e dimostrato il primo motore elettrospray a emissione di goccioline completamente stampato in 3D. Questo dispositivo innovativo, realizzabile rapidamente e a una frazione del costo dei propulsori tradizionali, utilizza materiali e tecniche di stampa 3D accessibili in commercio. Potrebbe persino essere prodotto interamente in orbita, poiché la stampa 3D è compatibile con la produzione spaziale. Il dispositivo proof-of-concept del MIT comprende 32 emettitori elettrospray che operano insieme, generando un flusso di propellente stabile e uniforme. Con questa tecnologia, gli astronauti potrebbero stampare rapidamente un motore per un satellite senza dover attendere che venga inviato dalla Terra. “L’utilizzo della produzione di semiconduttori non si sposa con l’idea di un accesso allo spazio a basso costo. Vogliamo democratizzare l’hardware spaziale,” afferma Luis Fernando Velásquez-García, uno dei principali ricercatori scientifici del MIT.
Un motore elettrospray ha un serbatoio di propellente che scorre attraverso canali microfluidici verso una serie di emettitori. Un campo elettrostatico viene applicato alla punta di ogni emettitore, innescando un effetto elettroidrodinamico che modella la superficie libera del liquido in un menisco a forma di cono, espellendo un flusso di goccioline cariche ad alta velocità, producendo la spinta. Le punte degli emettitori devono essere estremamente affilate per ottenere l’espulsione del propellente a bassa tensione. Il dispositivo richiede anche un complesso sistema idraulico per immagazzinare e regolare il flusso del liquido.
I ricercatori del MIT hanno utilizzato due diversi tipi di stampa a fotopolimerizzazione in vasca (VPP). La VPP prevede di illuminare una resina fotosensibile che si solidifica per formare strutture 3D con caratteristiche lisce e ad alta risoluzione. La stampa a due fotoni, una delle tecniche VPP utilizzate, ha permesso loro di produrre punte di emettitori estremamente affilate e capillari stretti e uniformi.
L’Impatto della Stampa 3D nella Propulsione Elettrospray
Gli emettitori stampati in 3D sono inseriti in un involucro rettangolare chiamato blocco collettore, che li tiene in posizione e fornisce loro il propellente. Il blocco collettore integra inoltre i moduli emettitori con l’elettrodo estrattore che innesca l’espulsione del propellente dalle punte degli emettitori. La fabbricazione del blocco collettore più grande tramite stampa a due fotoni sarebbe impraticabile a causa della bassa produttività del metodo e del volume di stampa limitato. Per superare questa sfida, i ricercatori hanno utilizzato una tecnica chiamata elaborazione digitale della luce la quale impiega un proiettore delle dimensioni di un chip per irradiare la resina con luce, solidificando uno strato della struttura 3D alla volta. “Ogni tecnologia funziona molto bene a una certa scala. Combinandole, possiamo ottenere il meglio di ogni metodo”, afferma Velásquez-García.
Oltre alla stampa 3D dei componenti del motore, i ricercatori hanno condotto esperimenti chimici per garantire che i materiali di stampa fossero compatibili con il propellente liquido conduttivo. Materiali incompatibili potrebbero corrodere il motore o causarne la rottura, compromettendo l’hardware destinato a un funzionamento a lungo termine. Hanno anche sviluppato un metodo per unire le singole parti in modo da evitare disallineamenti che potrebbero compromettere le prestazioni, garantendo la tenuta stagna del dispositivo. Il prototipo stampato in 3D ha generato una spinta più efficiente rispetto ai razzi chimici più grandi e costosi e ha superato le prestazioni dei motori elettrospray esistenti.
Prospettive dei ricercatori
I ricercatori hanno esaminato e compreso come la regolazione della pressione del propellente e la modulazione della tensione applicata influenzassero il flusso di goccioline, ottenendo una gamma più ampia di spinta modulando la tensione. Questo potrebbe eliminare la necessità di una complessa rete di tubi, valvole o segnali di pressione, portando a un propulsore elettrospray più leggero ed economico. “Siamo stati in grado di dimostrare che un propulsore più semplice può ottenere risultati migliori,” afferma Velásquez-García.
I ricercatori intendono esplorare ulteriormente i vantaggi della modulazione di tensione e fabbricare array più densi e grandi di moduli emettitori. Inoltre, potrebbero utilizzare più elettrodi per disaccoppiare l’attivazione dell’espulsione elettroidrodinamica del propellente dall’impostazione della forma e della velocità del getto emesso. A lungo termine, sperano di realizzare un CubeSat con un motore elettrospray completamente stampato in 3D durante il suo funzionamento e la sua deorbitazione. Questa ricerca è finanziata in parte da una borsa di studio MathWorks e dal progetto NewSat, ed è stata svolta in parte utilizzando le strutture del MIT.nano.
Espansione e Sviluppo dei Motori Elettrospray
La ricerca continua a evidenziare che i motori elettrospray offrono numerose possibilità di sviluppo per il futuro della propulsione spaziale. I ricercatori del MIT stanno esplorando nuove tecniche per migliorare ulteriormente le prestazioni dei motori elettrospray e ridurne i costi di produzione. Ad esempio, stanno studiando l’utilizzo di materiali avanzati che potrebbero rendere i motori elettrospray più resistenti e durevoli, migliorando al contempo l’efficienza del flusso di propellente.
Un’altra area di ricerca riguarda l’ottimizzazione delle geometrie degli emettitori e dei canali microfluidici per massimizzare la spinta generata per unità di propellente utilizzato. I ricercatori stanno utilizzando modelli di simulazione al computer per sperimentare diverse configurazioni e identificare quelle più promettenti. Inoltre, stanno esplorando l’uso di tecniche di produzione avanzate come la stampa 3D multi-materiale, che potrebbe consentire la creazione di motori elettrospray con componenti integrati che svolgono più funzioni contemporaneamente, riducendo così il peso complessivo del dispositivo.
Un’altra innovazione promettente è l’integrazione di sensori avanzati nei motori elettrospray stampati in 3D. Questi sensori potrebbero monitorare in tempo reale le prestazioni del motore e inviare dati ai controllori a terra, consentendo regolazioni immediate per ottimizzare la spinta e l’efficienza. Questo tipo di controllo avanzato potrebbe essere particolarmente utile per missioni spaziali complesse che richiedono di migliorare continuamente le prestazioni dei motori. Un’altra possibile innovazione riguarda l’uso di materiali compositi avanzati, che potrebbero aumentare ulteriormente l’affidabilità e la durata dei motori elettrospray. L’uso di materiali con proprietà specifiche, come resistenze elevate alla corrosione e capacità di condurre elettricità, potrebbe migliorare la robustezza dei dispositivi, rendendoli più adatti per missioni spaziali di lunga durata.
Nuove configurazioni di sistema
Gli sforzi di ricerca e sviluppo nel campo della propulsione elettrospray non si limitano solo ai materiali e alla geometria dei componenti. I ricercatori stanno anche esplorando nuove configurazioni di sistema per ottimizzare la distribuzione del propellente e la gestione del flusso di carica elettrica. Questo include la progettazione di sistemi avanzati di controllo del propellente che utilizzano sensori di precisione e algoritmi di controllo adattivi per garantire che il flusso di propellente sia costantemente ottimizzato per le condizioni operative del motore.
Uno degli sviluppi più entusiasmanti nella propulsione elettrospray è la possibilità di realizzare motori completamente autonomi, in grado di monitorare e adattare le proprie prestazioni senza la necessità di interventi esterni. Questo tipo di innovazione potrebbe rendere i motori elettrospray particolarmente attraenti per le missioni spaziali di esplorazione a lungo termine, dove la comunicazione con la Terra potrebbe essere limitata o ritardata. I motori autonomi potrebbero reagire rapidamente a cambiamenti nelle condizioni operative, migliorando l’efficienza e la sicurezza della missione.
Una sfida significativa nella progettazione di motori elettrospray è garantire che il propellente utilizzato sia compatibile con il sistema. I propellenti liquidi conduttivi devono essere stabili e non reattivi con i materiali del motore per evitare danni e garantire un funzionamento affidabile. La scelta del propellente è quindi cruciale e richiede una valutazione approfondita delle proprietà chimiche e fisiche dei liquidi disponibili. I ricercatori stanno esplorando una gamma di propellenti alternativi, inclusi liquidi ionici e soluzioni elettrolitiche avanzate, che potrebbero offrire migliori prestazioni rispetto ai propellenti tradizionali.
Costi e produzione dei motori elettrospray
Un altro aspetto importante della ricerca sulla propulsione elettrospray è la necessità di testare e validare nuovi design e materiali in condizioni operative realistiche. Questo include la simulazione delle condizioni spaziali, come le variazioni di temperatura estreme e l’esposizione alla radiazione cosmica. I test in ambiente spaziale sono fondamentali per garantire che i motori elettrospray possano resistere alle sfide uniche del volo spaziale e funzionare in modo affidabile durante le missioni.
Oltre agli aspetti tecnici, la ricerca sulla propulsione elettrospray si concentra anche sulla riduzione dei costi di produzione e sull’aumento dell’accessibilità delle tecnologie avanzate. L’uso della stampa 3D e di altre tecniche di produzione additiva può ridurre significativamente i costi di produzione, rendendo i motori elettrospray più accessibili per una vasta gamma di applicazioni spaziali. Questo è particolarmente importante per le missioni di ricerca accademica e per le start-up spaziali che potrebbero non avere accesso ai budget elevati necessari per le tecnologie propulsive tradizionali.
Un altro ambito di ricerca riguarda l’integrazione dei motori elettrospray con altre tecnologie avanzate di propulsione, come i motori a ioni e i propulsori al plasma. Questa integrazione potrebbe offrire soluzioni propulsive ibride che combinano i vantaggi dei diversi sistemi, migliorando ulteriormente l’efficienza e la flessibilità delle missioni spaziali. La ricerca su queste tecnologie ibride è ancora in fase iniziale, ma i risultati preliminari sono promettenti e suggeriscono che potrebbero rappresentare una svolta significativa nel campo della propulsione spaziale.
Infine, la collaborazione internazionale e la condivisione delle conoscenze sono fondamentali per il progresso della propulsione elettrospray. I ricercatori di tutto il mondo stanno lavorando insieme per sviluppare nuove tecnologie, scambiare idee e condividere risultati di ricerca. Questa collaborazione globale è essenziale per affrontare le sfide complesse della propulsione spaziale e per accelerare l’innovazione nel campo.
Il futuro delle missioni spaziali
In conclusione, la propulsione elettrospray rappresenta una delle tecnologie più promettenti per il futuro delle missioni spaziali. La ricerca continua a spingere i confini della scienza e dell’ingegneria, aprendo nuove possibilità per l’esplorazione spaziale e la realizzazione di missioni scientifiche e commerciali. Con l’uso di tecniche avanzate di stampa 3D, materiali innovativi e sistemi di controllo autonomi, i motori elettrospray stanno dimostrando di essere una soluzione efficiente, economica e accessibile per le future missioni spaziali.
Attraverso la collaborazione internazionale e il continuo sviluppo tecnologico, la propulsione elettrospray potrebbe diventare un pilastro fondamentale delle missioni spaziali del futuro, consentendo a una nuova generazione di scienziati, ingegneri e esploratori di spingere i confini dell’umanità oltre le stelle.
