La propulsione spaziale è un campo che ha visto grandi evoluzioni negli ultimi decenni, con la ricerca sempre più orientata a migliorare l’efficienza e ridurre i costi, non solo per il lancio e la gestione dei veicoli spaziali, ma anche per la realizzazione di nuovi motori a propulsione. Ne è un esempio l’ultima innovazione firmata MIT (Massachusetts Institute of Technology): un motore elettrospray interamente stampato in 3D. Ideale per la propulsione di piccoli satelliti, questo dispositivo potrebbe essere prodotto a bordo di un veicolo spaziale e costare molto meno dei motori tradizionali.
Motore elettrospray, una tecnologia (im)perfetta per i CubeSat
Facciamo prima un piccolo preamobolo: che cos’è un motore elettrospray? In pratica si tratta di un dispositivo a propulsione che “applica un campo elettrico a un liquido conduttivo, generando un getto ad alta velocità di minuscole goccioline che possono spingere un veicolo spaziale“, come racconta il MIT. In definitiva, questa tecnologia si prospetta come la soluzione ideale per i CubeSat, piccoli satelliti sempre più impiegati nella ricerca accademica. E questo perché “utilizzano il propellente in modo più efficiente rispetto ai potenti razzi chimici utilizzati sulla rampa di lancio, [e quindi] sono più adatti per manovre precise in orbita“, appunto quelle manovre necessarie per i CubeSat.
Nonostante l’efficienza, i motori elettrospray hanno un difetto significativo: la loro produzione è complicata e costosa. Tradizionalmente, questi motori vengono realizzati in ambienti controllati come le camere bianche, dove si utilizzano tecniche di fabbricazione avanzate, come la produzione semiconduttiva, che richiede tempo e risorse elevati.
Da qui l’innovazione del MIT, che va a risolvere l’annoso problema dei costi grazie alla stampa 3D. Utilizzando materiali e tecniche di stampa 3D accessibili in commercio, i ricercatori sono riusciti a realizzare un motore elettrospray “in tempi ridotti e a una frazione del costo dei propulsori tradizionali“.
Dal MIT un motore elettrospray completamente stampato in 3D
Come raccontano nella loro ricerca pubblicata su Advanced Science, per produrre i componenti del motore i ricercatori del MIT hanno utilizzato due metodi di fotopolimerizzazione a vat. Il primo metodo, la stampa a due fotoni (two-photon printing), ha permesso di creare dettagli ad altissima risoluzione, come le punte degli emettitori e le microcapillari che trasportano il propellente. La seconda tecnica, la DLP (digital light processing, elaborazione digitale della luce), è stata utilizzata per stampare il blocco manifoldo, che integra tutti gli emettitori e collega i vari componenti del motore.
La combinazione di queste due tecniche ha permesso di ottenere un motore preciso, complesso e funzionale, composto da 32 emettitori che operano simultaneamente per generare una spinta uniforme e stabile. Ogni emettitore è dotato di una punta estremamente affilata, che è essenziale per il corretto funzionamento del motore, permettendo la eiezione del propellente a basse tensioni.
Ma oltre a essere preciso e funzionale, il motore è anche compatibile con il propellente. I ricercatori hanno infatti condotto una serie di esperimenti chimici per garantire che i materiali di stampa fossero compatibili con il propellente liquido conduttivo. “In caso contrario, il propellente potrebbe corrodere il motore o causarne la rottura, il che è indesiderabile per un dispositivo destinato a funzionare a lungo termine, con poca o nessuna manutenzione“. Hanno inoltre sviluppato un metodo per fissare saldamente le parti separate, evitando disallineamenti che potrebbero compromettere le prestazioni e assicurando che il dispositivo rimanga perfettamente a tenuta stagna.
Alla fine, il loro prototipo stampato in 3D è stato in grado di generare una spinta più efficiente rispetto ai razzi chimici più grandi e costosi, superando anche i motori elettrospray oggi esistenti.
La produzione in orbita: il futuro della propulsione spaziale
Come già detto sopra, l’innovazione principale di questa tecnologia è che il motore stampato in 3D può essere realizzato direttamente nello spazio.
Poiché la stampa 3D è compatibile con la produzione in orbita, i futuri satelliti e CubeSat potrebbero essere equipaggiati con motori elettrospray stampati in situ, senza la necessità di essere inviati sulla Terra per la produzione e l’assemblaggio. Questa possibilità apre nuovi scenari per l’industria spaziale, riducendo il tempo di produzione e abbattendo ulteriormente i costi.
Nel lungo periodo, i ricercatori del MIT sperano di riuscire a integrare i motori elettrospray stampati in 3D su CubeSat operativi, in grado di eseguire missioni complete, inclusi il deorbiting e altre manovre. L’obiettivo è dimostrare come la stampa 3D possa non solo abbattere i costi, ma anche cambiare il modo in cui l’hardware spaziale viene concepito e realizzato.
