3D-Druck für die Zukunft der Raumfahrt: MITs vollständig 3D-gedruckter Elektrospray-Motor

MIT-Ingenieure haben den ersten vollständig 3D-gedruckten Elektrospray-Motor entwickelt.

Ingenieure des MIT haben den ersten vollständig 3D-gedruckten Elektrospray-Antrieb für Kleinsatelliten wie CubeSats entwickelt. Elektrospray-Antriebe nutzen elektrische Felder, um leitfähige Flüssigkeit in schnell geladene Tröpfchen zu zerstäuben. Dies ermöglicht präzise Manöver im Orbit mit höherer Treibstoffeffizienz als chemische Raketen.

Herkömmliche Elektrospray-Triebwerke sind auf die teure Halbleiterfertigung in Reinräumen angewiesen, der Ansatz des MIT nutzt jedoch kommerziell erhältliche 3D-Drucktechniken (zwei verschiedene Arten des Vat-Photopolymerisationsdrucks (VPP)), um die Kosten zu senken und die Raumfahrthardware einem breiteren Publikum zugänglich zu machen.

Der Laserstrahler kombiniert 32 Emitter in acht Modulen, die mittels Zwei-Photonen-Druck für scharfe Spitzen und mikrofluidische Kanäle gefertigt werden, während der größere Verteilerblock digitale Lichtverarbeitung nutzt. Dieser hybride Ansatz optimiert Skalierbarkeit und Präzision.

Der Prototyp übertraf die bestehenden Elektrospray-Triebwerke hinsichtlich der Schubeffizienz und demonstrierte, dass die Spannungsmodulation (anstelle von Druckanpassungen) die Konstruktion vereinfacht, das Gewicht reduziert und die Steuerung verbessert.

Bildquelle: MIT

2PP und DLP werden verwendet

Die Entwicklung des vollständig 3D-gedruckten Elektrospray-Triebwerks des MIT basiert auf zwei fortschrittlichen additiven Fertigungstechnologien: der Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) und der digitalen Lichtverarbeitung (DLP). Diese Verfahren wurden strategisch ausgewählt, um die komplexen Geometrien, die Präzision im Mikrometerbereich und die funktionalen Materialeigenschaften zu erzielen, die für Hochleistungsantriebssysteme in der Raumfahrt erforderlich sind.

Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) : Nanometergenaue Präzision für kritische Bauteile

Die Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP) ist eine hochmoderne Mikro-3D-Drucktechnik, die die Herstellung von Strukturen mit einer Auflösung von bis zu 0,1 Mikrometern ermöglicht – und damit herkömmliche 3D-Druckverfahren weit übertrifft. Bei der 2PP wird ein gepulster Femtosekundenlaser auf ein Fotolackmaterial fokussiert. Die chemische Reaktion wird dabei ausschließlich im Fokuspunkt ausgelöst, wo zwei Photonen gleichzeitig absorbiert werden. Dadurch lassen sich ultrafeine Strukturen wie Ionenemitter und mikrofluidische Kanäle erzeugen, die für den Betrieb der Elektrospray-Anlage unerlässlich sind.

Das Team des MIT nutzte die Zwei-Phasen-Pulse-Technologie (2PP), um Bauteile mit submikrometergenauer Präzision herzustellen. Dies gewährleistet eine optimale Ionenstrahlsteuerung und minimiert Energieverluste. Beispielsweise benötigen die Emitter-Arrays des Triebwerks, die durch Ionisierung und Beschleunigung geladener Teilchen Schub erzeugen, eine nanometergenaue Homogenität, um im Vakuum des Weltraums effizient zu sein.

Bildquelle: Nature

Digitale Lichtverarbeitung (DLP) : Schnelles Prototyping komplexer Strukturen

Ergänzend zum 2PP-Verfahren wurde die DLP-Technologie für größere Strukturbauteile und die Integration mehrerer Materialien eingesetzt. DLP funktioniert durch die Projektion von UV-Lichtmustern auf ein mit Fotopolymerharz gefülltes Gefäß, wodurch ganze Schichten gleichzeitig ausgehärtet werden. Der DLP-3D-Druck ermöglicht eine schnelle Produktion und eine exzellente Oberflächengüte und eignet sich daher ideal für Komponenten wie Motorgehäuse oder Kraftstoffsysteme.

Ein entscheidender Vorteil des DLP-Verfahrens in diesem Projekt ist seine Kompatibilität mit Funktionsharzen, darunter leitfähige und hitzebeständige Materialien. So könnte das MIT beispielsweise Spezialharze verwenden, um elektrisch isolierende Schichten oder thermisch stabile Verteiler herzustellen und damit sicherzustellen, dass das Triebwerk extremen Temperaturen und Strahlung im Weltraum standhält. Darüber hinaus ermöglicht der schichtweise Aushärtungsprozess des DLP-Verfahrens abgestufte Materialeigenschaften und damit Übergänge zwischen starren und flexiblen Bereichen innerhalb eines einzelnen gedruckten Bauteils – ein entscheidender Faktor für die Schwingungsdämpfung in Antriebssystemen.

Der Einsatz dieser fortschrittlichen 3D-Druckverfahren unterstreicht einen breiteren Trend in der Luft- und Raumfahrt: die Nutzung additiver Fertigungsverfahren zur Konsolidierung von Bauteilen, zur Gewichtsreduzierung und zur Ermöglichung von Konstruktionen.

Kann der 3D-Druck der Luft- und Raumfahrtindustrie mehr Unterstützung bieten?

Der 3D-Druck revolutioniert bereits die Luft- und Raumfahrt, und der Elektrospray-Motor des MIT veranschaulicht sein transformatives Potenzial.

1. Ermöglichung komplexer, leichter Designs

Die traditionelle Fertigung stößt bei komplexen Geometrien an ihre Grenzen, doch der 3D-Druck meistert diese Herausforderung. So nutzen beispielsweise Luft- und Raumfahrtkonzerne wie Airbus den 3D-Druck, um Treibstoffdüsen herzustellen, die 25 % leichter und fünfmal stabiler sind als herkömmlich gefertigte Teile.

Die aus recycelten Materialien im 3D-Druckverfahren hergestellten Glasbausteine ​​des MIT demonstrieren ebenfalls, wie leichte, hochfeste Strukturen die Startkosten senken und die Treibstoffeffizienz verbessern können.

2. On-Demand-Fertigung

Der 3D-Druck ermöglicht die Vor-Ort-Produktion kritischer Bauteile und umgeht so lange Lieferketten. Die Schifffahrtsindustrie hat den Einsatz von 3D-Druckern an Bord von Schiffen zur Herstellung von Ersatzteilen während der Seereise erforscht – ein Konzept, das sich gleichermaßen für Weltraummissionen eignet.

3. Materialeffizienz und Nachhaltigkeit

Die additive Fertigung minimiert Abfall, indem nur das für das jeweilige Bauteil benötigte Material verwendet wird. So reduzieren beispielsweise die 3D-gedruckten Triebwerkskomponenten von GE den Materialverbrauch im Vergleich zu subtraktiven Verfahren um bis zu 90 %. Das Glasbausteinprojekt des MIT unterstreicht die Nachhaltigkeit zusätzlich, indem es recyceltes Glas zur Herstellung wiederverwendbarer Bausteine ​​nutzt – ein Modell, das als Vorbild für recycelbare Satellitenkomponenten dienen könnte.

4. Beschleunigung von Prototyping und Innovation

Schnelle Iterationen sind in der Luft- und Raumfahrtforschung und -entwicklung unerlässlich. Unternehmen nutzen additive Fertigung, um komplexe Bauteile schnell zu prototypisieren und so die Entwicklungszyklen um Monate zu verkürzen. Diese Flexibilität ermöglicht es Ingenieuren, neuartige Designs zu testen – wie beispielsweise topologieoptimierte Halterungen oder hitzebeständige Legierungen –, die zuvor nicht realisierbar waren.

Die Integration von Sensoren, Kühlkanälen und Strukturelementen in einzelne gedruckte Einheiten, wie sie beispielsweise beim Elektrospray-Motor des MIT zu sehen ist, wird in Zukunft Standard sein.