Adam Zewe | MIT News
Um motor de eletrospray aplica um campo elétrico a um líquido condutor, gerando um jato de alta velocidade de pequenas gotículas que podem impulsionar uma nave espacial. Esses motores miniatura são ideais para pequenos satélites chamados CubeSats, frequentemente usados em pesquisas acadêmicas.
Como os motores de eletrospray utilizam o propelente de forma mais eficiente do que os potentes foguetes químicos usados na plataforma de lançamento, eles são mais adequados para manobras precisas em órbita. O empuxo gerado por um emissor de eletrospray é minúsculo, por isso, esses motores geralmente usam uma matriz de emissores operados de maneira uniforme em paralelo.
No entanto, esses propulsores multiplexados de eletrospray são tipicamente fabricados por meio de um processo caro e demorado de fabricação em salas limpas de semicondutores, o que limita quem pode fabricá-los e como os dispositivos podem ser aplicados.
Para ajudar a quebrar barreiras na pesquisa espacial, engenheiros do MIT demonstraram o primeiro motor de eletrospray totalmente impresso em 3D, que emite gotículas. O dispositivo deles, que pode ser produzido rapidamente e por uma fração do custo dos propulsores tradicionais, utiliza materiais e técnicas de impressão 3D acessíveis comercialmente. Os dispositivos poderiam até ser totalmente fabricados em órbita, já que a impressão 3D é compatível com a fabricação no espaço.
Ao desenvolver um processo modular que combina dois métodos de impressão 3D, os pesquisadores superaram os desafios envolvidos na fabricação de um dispositivo complexo composto por componentes em macroscala e microscala, que devem funcionar juntos de forma integrada.
O propulsor de prova de conceito deles é composto por 32 emissores de eletrospray que operam em conjunto, gerando um fluxo estável e uniforme de propelente. O dispositivo impresso em 3D gerou tanto ou mais empuxo do que os motores de eletrospray existentes que emitem gotículas. Com essa tecnologia, os astronautas poderiam imprimir rapidamente um motor para um satélite sem precisar esperar que um fosse enviado da Terra.
“Usar a fabricação de semicondutores não se alinha com a ideia de acesso de baixo custo ao espaço. Queremos democratizar o hardware espacial. Neste trabalho, estamos propondo uma maneira de fabricar hardware de alto desempenho com técnicas de fabricação disponíveis para mais participantes”, diz Luis Fernando Velásquez-García, cientista principal do MIT Microsystems Technology Laboratories (MTL) e autor sênior de um artigo que descreve os propulsores, publicado na Advanced Science.
Ele é coautor do artigo junto com o autor principal Hyeonseok Kim, um estudante de pós-graduação do MIT em engenharia mecânica.
Uma abordagem modular
Um motor de eletrospray possui um reservatório de propelente que flui através de canais microfluídicos até uma série de emissores. Um campo eletrostático é aplicado na ponta de cada emissor, acionando um efeito eletrohidrodinâmico que modela a superfície livre do líquido em um menisco em forma de cone, ejetando um fluxo de gotículas carregadas de alta velocidade a partir de seu ápice, gerando empuxo.
As pontas dos emissores precisam ser o mais afiadas possível para atingir a ejeção eletrohidrodinâmica do propelente com uma baixa voltagem. O dispositivo também requer um sistema hidráulico complexo para armazenar e regular o fluxo de líquido, movimentando o propelente de forma eficiente pelos canais microfluídicos.
A matriz de emissores é composta por oito módulos emissores. Cada módulo contém uma matriz de quatro emissores individuais que devem funcionar em uníssono, formando um sistema maior de módulos interconectados.
“Usar uma abordagem de fabricação de tamanho único não funciona porque esses subsistemas estão em escalas diferentes. Nosso insight chave foi combinar métodos de manufatura aditiva para alcançar os resultados desejados, e então encontrar uma forma de interligar tudo para que as peças funcionem juntas da maneira mais eficiente possível”, diz Velásquez-García.
Para alcançar isso, os pesquisadores utilizaram dois tipos diferentes de impressão por fotopolimerização em vat (VPP). VPP envolve iluminar uma resina fotossensível, que se solidifica para formar estruturas 3D com características suaves e de alta resolução.
Os pesquisadores fabricaram os módulos emissores utilizando um método de VPP chamado impressão a dois fótons. Essa técnica usa um feixe de laser altamente focado para solidificar a resina em uma área precisamente definida, construindo uma estrutura 3D um pequeno bloco, ou voxel, de cada vez. Esse nível de detalhe permitiu que produzissem pontas de emissores extremamente afiadas e capilares estreitos e uniformes para transportar o propelente.
Os módulos emissores são encaixados em uma estrutura retangular chamada bloco manifold, que mantém cada módulo no lugar e fornece propelente aos emissores. O bloco manifold também integra os módulos emissores com o eletrodo extrator, que aciona a ejeção do propelente a partir das pontas dos emissores quando uma voltagem adequada é aplicada. Fabricar o bloco manifold maior usando impressão a dois fótons seria inviável devido ao baixo rendimento do método e ao volume limitado de impressão.
Em vez disso, os pesquisadores utilizaram uma técnica chamada processamento de luz digital, que utiliza um projetor do tamanho de um chip para iluminar a resina, solidificando uma camada da estrutura 3D por vez.
“Cada tecnologia funciona muito bem em uma certa escala. Combiná-las, para que funcionem juntas para produzir um único dispositivo, nos permite aproveitar o melhor de cada método”, diz Velásquez-García.
Desempenho de propulsão
Mas imprimir em 3D os componentes do motor de eletrospray é apenas metade da batalha. Os pesquisadores também realizaram experimentos químicos para garantir que os materiais de impressão fossem compatíveis com o propelente líquido condutor. Caso contrário, o propelente poderia corroer o motor ou causar rachaduras, o que seria indesejável para um hardware destinado à operação a longo prazo com pouca ou nenhuma manutenção.
Além disso, eles desenvolveram um método para prender as partes separadas de forma a evitar desalinhamentos que poderiam prejudicar o desempenho e garantir que o dispositivo permanecesse à prova d’água.
No final, o protótipo impresso em 3D foi capaz de gerar empuxo de maneira mais eficiente do que foguetes químicos maiores e mais caros, superando os motores de eletrospray que emitem gotículas existentes.
Os pesquisadores também investigaram como ajustar a pressão do propelente e modular a voltagem aplicada ao motor afetava o fluxo das gotículas. Surpreendentemente, eles conseguiram uma faixa mais ampla de empuxo ao modular a voltagem. Isso poderia eliminar a necessidade de uma rede complexa de tubos, válvulas ou sinais de pressão para regular o fluxo do líquido, resultando em um propulsor de eletrospray mais leve, barato e também mais eficiente.
“Conseguimos demonstrar que um propulsor mais simples pode alcançar melhores resultados”, diz Velásquez-García.
Os pesquisadores desejam continuar explorando os benefícios da modulação de voltagem em trabalhos futuros. Eles também pretendem fabricar matrizes mais densas e maiores de módulos emissores. Além disso, podem explorar o uso de múltiplos eletrodos para desacoplar o processo de acionamento da ejeção eletrohidrodinâmica de propelente da configuração da forma e da velocidade do jato emitido. A longo prazo, eles também esperam demonstrar um CubeSat que utilize um motor de eletrospray totalmente impresso em 3D durante sua operação e desorbitamento.
Essa pesquisa é financiada, em parte, por uma bolsa da MathWorks e pelo Projeto NewSat, e foi realizada, em parte, utilizando as instalações do MIT.nano.
Reimpresso com permissão do MIT News.
