Исследователи Массачусетского технологического института представили полностью напечатанный на 3D-принтере двигатель малой тяги, использующий чистую ионную эмиссию для движения. Двигатель излучает поток чистых ионов и может применяться для создания тяги при запуске миниатюрных спутников.

Наноспутниковый двигатель является первым в своем роде полностью аддитивным устройством. При его изготовлении использовалась комбинация 3D-печати и гидротермального выращивания нанопроволок оксида цинка.

Это также первый двигатель такого типа, который производит чистые ионы из ионных жидкостей, используемых для создания тяги. Чистые ионы делают двигатель более эффективным, чем аналогичные современные устройства, придавая ему большую тягу на единицу потока топлива, говорит Луис Фернандо Веласкес-Гарсия, главный научный сотрудник лаборатории Microsystems Technology Laboratories (MTL) МТИ.

Силу тяги можно измерить в масштабе нескольких десятков микроньютон. Но в среде орбиты CubeSat или аналогичный небольшой спутник мог бы с помощью этих крошечных толчков более четко маневрировать.

Миниатюрный двигатель малой малой тяги работает электрогидродинамически, производя струю ускоренных заряженных частиц, которые выбрасываются для создания движущей силы. Частицы происходят из своего рода жидкой соли, называемой ионной жидкостью. Корпус, напечатанный на 3D-принтере, содержит резервуар с ионной жидкостью и эмиттерные конусы с нанопроволокой из оксида цинка, гидротермально выращенной на их поверхности.

Нанопроволоки действуют как фитили для переноса жидкости из резервуара к наконечникам эмиттера. Заряженные частицы выбрасываются из наконечников эмиттера. Исследователи экспериментировали с печатью излучателей из нержавеющей стали, а также из полимерной смолы.

Ученые смогли обнаружить струю чистых ионов с помощью метода, называемого масс-спектрометрией, который может определять состав частиц на основе их молекулярной массы. Обычно при электрораспылении ионных жидкостей струя, помимо ионов, содержит частицы, состоящие из ионов, смешанных с нейтральными молекулами. Получение чистых ионов стало неожиданностью, и исследовательская группа до сих пор не совсем понимает, как это вышло. Правда, Веласкес-Гарсиа и его коллеги считают, что свою роль сыграли нанопроволоки оксида цинка и то, как жидкость взаимодействует с материалом проволоки.

Создание струи чистых ионов означает, что двигатель малой тяги может более эффективно использовать топливо, а эффективность топлива является ключевым для объектов на орбите, поскольку дозаправка спутников сложна.

По словам Веласкеса-Гарсиа, конструкции с электрораспылением можно применять не только в космосе. Они могут использоваться для хранения энергии или для очистки морской воды.

Кроме того, прогресс в 3D-печати позволит внедрить в ближайшем будущем еще более совершенные системы из лучших материалов.

Веласкес-Гарсия и постдок MTL Дульсе Виридиана Мело Максимо описали свой двигатель в декабрьском выпуске журнала Additive Manufacturing за 2020 год. Работа спонсировалась Программой MIT – Tecnologico de Monterrey по нанонауке и нанотехнологиям и программой MIT Portugal.

Осенью прошлого года компания Aevum из Алабамы представила собственную систему запуска небольших спутников под названием Ravn X. Это автономный самолет и ракета-носитель. Система предназначена для доставки спутников в космос каждые 180 минут. И самолет, и ракета-носитель используют в качестве пропеллента топливо для реактивных двигателей.