Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben einen vollständig 3D-gedruckten Elektrospray-Antrieb entwickelt, der kleine Satelliten wie CubeSats effizient antreiben kann. Der neuartige Antrieb wird aus handelsüblichen 3D-Druckmaterialien gefertigt und könnte sogar direkt im Weltraum hergestellt werden.
Die Forschungsergebnisse wurden in „Advanced Science“ unter dem Titel „High-Impulse, Modular, 3D-Printed CubeSat Electrospray Thrusters Throttleable via Pressure and Voltage Control“ veröffentlicht.
Elektrospray-Antriebe für präzise Satellitensteuerung
Elektrospray-Antriebe nutzen elektrische Felder, um eine leitfähige Flüssigkeit in winzige, schnell beschleunigte Tropfen zu verwandeln, die den Satelliten antreiben. Im Gegensatz zu chemischen Raketenantrieben, die große Schubkräfte für den Start erzeugen, sind Elektrospray-Systeme besonders für kleine, präzise Bahnkorrekturen im Orbit geeignet.
Bisher wurden solche Antriebe mit teuren und aufwendigen Verfahren in Reinräumen hergestellt, was die Produktion stark einschränkt. Das MIT-Team hat nun eine kostengünstigere Alternative entwickelt: einen modularen Elektrospray-Antrieb, der mit zwei verschiedenen 3D-Drucktechnologien gefertigt wird.
3D-Druck als Schlüsseltechnologie für den Weltraumeinsatz
Der Antrieb besteht aus 32 winzigen Emittoren, die gleichmäßig Propellant ausstoßen und so eine stabile Schubkraft erzeugen. Für die Herstellung kombinierten die Forscher zwei 3D-Druckmethoden:
- Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) wurde für die feinen Strukturen der Emittoren genutzt. Diese Technik ermöglicht es, extrem scharfe Spitzen und gleichmäßige Mikrokanäle für das Propellant zu erzeugen.
- Digital Light Processing (DLP) kam für größere Komponenten wie den Versorgungskanal zum Einsatz, der die Emittoren mit Treibstoff versorgt.
Diese Kombination sorgt für eine präzise Herstellung sowohl von Mikro- als auch von Makrostrukturen, die für eine zuverlässige Funktion des Antriebs essenziell sind.
Effizienzsteigerung durch innovative Steuerungsmethoden
Neben der Fertigung wurde auch die Steuerung des Antriebs optimiert. Die Forscher testeten verschiedene Methoden zur Regulierung des Schubs und fanden heraus, dass sich durch die Anpassung der angelegten Spannung der Schub effizienter steuern lässt. Dadurch könnte auf komplexe Ventilsysteme verzichtet werden, was den Antrieb leichter und günstiger macht.
Die bisherigen Tests zeigen, dass der 3D-gedruckte Antrieb mit bestehenden Elektrospray-Systemen mithalten kann oder sie sogar übertrifft. Perspektivisch könnte diese Technologie es ermöglichen, Satellitenantriebe direkt im Weltraum zu fertigen – ein entscheidender Vorteil für Langzeitmissionen und flexible Raumfahrtanwendungen.
„Wir wollen Raumfahrt-Hardware demokratisieren, indem wir Hochleistungsbauteile mit für mehr Menschen zugänglichen Fertigungstechniken herstellen“, sagt Luis Fernando Velásquez-García, leitender Wissenschaftler am MIT Microsystems Technology Laboratory.
Das Forschungsteam plant als nächsten Schritt die Entwicklung größerer und dichter gepackter Emissionsarrays sowie Tests mit CubeSats im Orbit.
