Avec le nombre croissant de lancements de petits satellites qui apparaissent, on commence à comprendre le rôle crucial de la fabrication additive dans le futur du voyage spatial humain. Dans le but de faire progresser ce domaine d’application, des organisations et des instituts de recherche continuent d’explorer de nouvelles applications dans ce domaine.

Dans cette veine, des chercheurs du MIT ont mis au point un propulseur de nanosatellites entièrement imprimés en 3D en combinant l’impression 3D et la croissance hydrothermale de nanofils d’oxyde de zinc. Il est intéressant de noter que, contrairement aux autres propulseurs, celui-ci produirait des ions purs à partir des liquides ioniques utilisés pour générer la propulsion.

Selon Luis Fernando Velásquez-García, chercheur principal des Microsystems Technology Laboratories (MTL) du MIT, « les ions purs rendent le propulseur plus efficace que les dispositifs similaires de pointe, en lui donnant plus de poussée par unité de flux de propergol. La poussée fournie par le dispositif, qui est à peu près de la taille d’une pièce de dix cents, est minuscule. La force peut être mesurée sur une échelle de quelques dizaines de micronewtons, une poussée à peu près égale à la moitié du poids d’une des graines de sésame dans un pain à hamburger. Mais dans l’environnement sans friction de l’orbite, un CubeSat ou un satellite de taille similaire pourrait utiliser ces minuscules poussées pour accélérer ou manœuvrer avec un contrôle fin ».

Comment tout cela fonctionne ?

Le propulseur miniaturisé fonctionne de manière électrohydrodynamique, produisant une fine pulvérisation de particules accélérées et chargées qui sont émises pour produire une force propulsive. Les particules proviennent d’une sorte de sel liquide appelé liquide ionique.

Dans la conception du MIT, un corps imprimé en 3D contient un réservoir de liquide ionique ainsi qu’une forêt miniature de cônes émetteurs recouverts de nanofils d’oxyde de zinc cultivés hydrothermiquement sur les surfaces des cônes. Les nanofils agissent comme des mèches pour transporter le liquide du réservoir aux extrémités de l’émetteur. En appliquant une tension entre les émetteurs et une électrode d’extraction imprimée en 3D, les particules chargées sont éjectées des extrémités des émetteurs. Les chercheurs ont expérimenté l’impression des émetteurs dans une sorte d’acier inoxydable ainsi que dans une résine polymère.

Les chercheurs ont pu détecter le jet d’ions purs grâce à une technique appelée spectrométrie de masse, qui permet d’identifier la composition des particules en fonction de leur masse moléculaire. En règle générale, un électrospray produit à partir de liquides ioniques contient des ions et d’autres espèces composées d’ions mélangés à des molécules neutres.

Le jet d’ions purs a été une surprise, et l’équipe de recherche ne sait toujours pas exactement comment il a été produit, bien que Velásquez-García et ses collègues pensent que les nanofils d’oxyde de zinc “sont la sauce secrète”, dit-il. « Nous pensons que cela a un rapport avec la façon dont la charge est injectée et la façon dont le fluide interagit avec le matériau du fil lorsqu’il transporte le fluide vers les sites d’émission ».

La production d’un jet d’ions purs signifie que le propulseur peut utiliser plus efficacement le combustible à bord, et l’efficacité du combustible est essentielle pour les objets en orbite car le ravitaillement des satellites est rarement une option, explique-t-il. « Le matériel que vous mettez dans l’espace, vous voulez en tirer de nombreuses années d’utilisation, donc je pense que c’est une bonne stratégie de le faire efficacement ».

« Les conceptions d’électrospray peuvent avoir de nombreuses applications au-delà de l’espace, dit Velásquez-García. « Cette technique “peut émettre non seulement des ions, mais aussi des nanofibres et des gouttelettes”. Vous pouvez utiliser les fibres pour fabriquer des filtres, ou des électrodes pour le stockage de l’énergie, ou utiliser les gouttelettes pour purifier l’eau de mer en éliminant la saumure. Vous pourriez également utiliser des conceptions d’électro-pulvérisation dans une chambre de combustion, pour atomiser le carburant en très petites et fines gouttelettes ».

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