完全3Dプリントのエレクトロスプレーエンジンを開発 (MIT engineers develop fully 3D-printed electrospray engine)

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2025-02-12 マサチューセッツ工科大学 (MIT)

マサチューセッツ工科大学(MIT)のエンジニアチームは、完全に3Dプリントで製造されたエレクトロスプレーエンジンを開発しました。このエンジンは、導電性の液体に電場を適用し、高速の微小な帯電液滴を噴射することで推力を生み出します。特に小型衛星であるCubeSatの軌道上での精密な操作に適しており、従来のスラスターと比較して製造コストを大幅に削減できます。研究チームは、商用の3Dプリンティング材料と技術を活用し、複雑なマイクロ流体チャンネルとエミッターを備えたエンジンを一体的に製造することに成功しました。この技術により、宇宙空間でのエンジンのオンデマンド製造が可能となり、宇宙探査のコスト削減と効率化に寄与することが期待されています。

<関連情報>

圧力と電圧の制御によりスロットル制御可能な、高インパルス、モジュール式、3D プリント CubeSat エレクトロスプレー スラスタ High-Impulse, Modular, 3D-Printed CubeSat Electrospray Thrusters Throttleable via Pressure and Voltage Control

Hyeonseok Kim, Luis Fernando Velásquez-García
Advanced Science  Published: 11 February 2025
DOI:https://doi.org/10.1002/advs.202413706

完全3Dプリントのエレクトロスプレーエンジンを開発 (MIT engineers develop fully 3D-printed electrospray engine)

Abstract

This study reports the proof-of-concept demonstration of novel, additively manufactured, droplet-emitting electrospray emitter arrays for CubeSat thruster applications. The modular thruster design incorporates multiscale features by employing two different vat photopolymerization technologies, i.e., digital light processing for defining mesoscale features, and two-photon polymerization for creating microscale features. The thruster design includes optimized, 50 µm-diameter microfluidic channels to attain uniform emitter array operation. Devices with up to 8 modules of 4 emitters were tested in a vacuum to assess their performance. Stable and uniform electrospray emission was achieved across all emitters, with a near 100% transmission across the extractor. Both pressure (flow rate) and voltage modulation are investigated as methods for controlling the emitted current and, by extension, the thrust generated by the devices. The per-emitter current followed a well-known square root relationship with flow rate; in addition, a linear relationship between per-emitter current and extractor voltage is observed. Compared to pressure control, modulating thrust via voltage control simplifies system design, eliminating the need for complex valves and enabling a wider throttle range. Estimated thrust and specific impulse are comparable to, or better than reported droplet-emitting electrospray thrusters. These findings demonstrate the potential of additive manufacturing to implement electrospray propulsion hardware.

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