MITのエンジニアが初の完全3Dプリント静電ジェットエンジンを開発

2025年2月25日、アンタークティックベアは、マサチューセッツ工科大学（MIT）のエンジニアチームが、完全に3Dプリント技術を使用して製造された世界初の静電ジェットエンジンの開発に成功したことを最近発表したことを知りました。この画期的な成果は、MathWorks フェローシップと NewSat プロジェクトによってサポートされ、MIT.nano 施設で部分的に実施されました。このエンジンは電界を利用して高速の微小液滴を生成し、推進力を提供するもので、CubeSat などの小型衛星に特に適しています。このエンジンはより迅速かつ安価に生産できるため、従来の製造方法に比べて大きな利点があります。さらに、この技術は軌道上での製造をサポートし、宇宙ミッションの柔軟性と運用能力を高め、ミッション中のリアルタイムの調整を可能にします。

3Dプリント静電ジェットエンジンのモジュール設計

MIT チームはモジュール式のアプローチを採用し、2 つの 3D 印刷技術を統合して、マクロとミクロの両方のスケールでコンポーネントを製造しました。概念実証エンジンには、均一な推進剤の流れを生成するために連携して動作する 32 個の静電インジェクターが搭載されています。 3D プリント装置は、既存の静電ジェットエンジンと同等かそれ以上の性能を実証しました。この技術を使用すれば、宇宙飛行士は地球からの信号を待つことなく、衛星エンジンを素早く印刷できる。

「半導体製造技術の使用は、低コストで宇宙にアクセスできるという考えとは矛盾している」とMITの主任研究科学者ルイス・フェルナンド・ベラスケス・ガルシア氏は言う。「私たちの目標は、宇宙ハードウェアへのアクセスを民主化することです。この研究では、より幅広い関係者が利用できる製造技術を使用して高性能ハードウェアを生産する方法を提案しています。」

静電ジェットエンジンは、マイクロ流体チャネルを通じてランチャーアレイに推進剤を供給します。エミッターの先端の静電場は電気流体力学的効果を生み出し、液体を円錐形の液面の形にし、帯電した高速液滴を噴射して推力を生成します。エミッタチップは、精密な鋭さが求められる低電圧電気流体力学的噴射用に設計されています。流体の流れを調節するために、この装置にはチャネルを通じて推進剤を移動させる油圧システムが含まれています。送信機アレイは 8 つのモジュールで構成され、各モジュールには相互接続されたシステムとして連携して動作する 4 つの送信機が搭載されています。

「これらのサブシステムは規模が異なるため、製造に対する万能なアプローチは機能しません」とベラスケス・ガルシア氏は言います。「私たちの重要な洞察は、望ましい結果を達成するためにさまざまな付加製造方法を組み合わせて使用し、すべてのコンポーネントをできるだけ効率的に連携させる方法を見つけることでした。」

3Dプリント静電ジェットエンジンの製造プロセス

製造プロセスでは、2 光子重合とデジタル光処理 (DLP) という 2 つの光重合 (VPP) 印刷技術を組み合わせています。このハイブリッドなアプローチにより、研究者は 2 光子印刷の精度を利用して細かいディテールを作成しながら、DLP の速度と拡張性を活用して構造のより大きな部分を作成することができました。

2 光子重合では、2 つの光子を使用して高度に集中した点で重合を開始し、複雑なナノスケールの特徴を作成できます。この方法は、鋭いエミッタチップや均一で細い高解像度のキャピラリーなどの微細構造の製造に重要な役割を果たします。これらの発射装置は、マニホールドブロックと呼ばれる長方形のハウジング内に配置され、各モジュールを保持し、発射装置に推進剤を供給します。

MIT の研究者たちは、従来の方法でより大きなマニホールドブロックを製造することは、歩留まりが低く、構築体積が限られているため非現実的であることを発見しました。この問題を解決するために、チームは樹脂の層を投影し、紫外線で硬化させる DLP 技術を使用しました。層ごとに硬化する方法とは異なり、DLP は層全体を一度に硬化するため、生産がスピードアップし、大型部品の製造がより効率的になります。

静電ジェットエンジンの性能向上

研究者らは、製造プロセスを最適化するだけでなく、腐食や劣化を防ぐために印刷された材料が導電性推進剤と適合していることを確認するための化学テストも実施しました。また、機器が効率的に動作するように、コンポーネントの位置合わせとシーリング技術も開発しています。最終的に、この試作機は従来の化学ロケットや既存の静電ジェットエンジンよりも優れた推力効率を実証しました。研究チームはまた、印加電圧を調整することでより広範囲の推力を実現できることを発見した。これは、複雑な流体制御システムを簡素化または排除して、より効率的でコスト効率の高い設計につながることを示唆している。

今後の展開

研究者らは電圧変調の利点をさらに調査する予定です。さらに、彼らは、静電放出プロセスをさらに強化するための新しい電極構成を調査しながら、より高密度で大型のエミッタモジュールを製造する予定です。今後の作業には、完全に 3D プリントされた静電ジェットエンジンを使用して CubeSat の動作と軌道離脱を実証することも含まれる可能性があります。

宇宙船用途の3Dプリント技術の進歩

近年、3D プリント技術は宇宙船部品の製造において大きな進歩を遂げています。
● 2024年初頭、Conflux Technologyはドイツのロケット製造会社Rocket Factory Augsburgと提携し、3Dプリントされた熱交換器技術を軌道ロケットに統合し、宇宙ミッションにおける積層造形の応用における重要な進歩を示しました。
● 米国の金属3Dプリンター開発会社ロソティクスは、同社の軌道上移送機の製造をサポートするため、大型金属3Dプリンター「Haloシステム」を自社内に導入すると発表した。ロゾティクス社は、地球と月の間の安定した重力の場所であるL5ラグランジュ点の軌道に入る前に、月の周りを移動するように設計された複数の自律型宇宙船を配備する計画を立てている。

● イタリアの 3D プリントサービス会社 BEAMIT SpA は、NASA 認定の AlSi7Mg アルミニウム合金を使用して 3D プリントされた航空宇宙部品を Cygnus プログラムに提供しています。このプログラムは、ノースロップ・グラマン社が製造したシグナス宇宙船を使用して、国際宇宙ステーション（ISS）への補給と宇宙探査の推進に重点を置いています。

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