MITの研究者が完全3Dプリントのエレクトロスプレースラスターを開発

Antarctic Bear の紹介:エレクトロスプレースラスタは、電界を使用して高速の小さな液滴を生成し、宇宙船を推進して正確な軌道操作を実行する、非常に効率的なマイクロ推進技術です。このスラスタには大きな利点があるにもかかわらず、その製造プロセスは高価で時間のかかる半導体クリーンルーム技術に依存しており、その広範な応用は制限されています。 3Dプリンティング技術の台頭により、この分野ではより効率的で低コストの製造方法が実現されると期待されています。

2025年2月13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）の研究者が、完全に3Dプリント技術で製造された世界初の液滴発射型エレクトロスプレー推進装置の実証に成功したことを知りました。この画期的な進歩により、宇宙探査のコストが削減され、従来の製造方法の限界が克服され、宇宙技術開発の新たな道が開かれると期待されています。

研究チームが開発したモジュール式プロセスは、従来のプロセスと比較して、生産速度が向上するだけでなく、製造コストも大幅に削減されます（従来のスラスタのほんの一部にすぎません）。さらに、3D プリント技術は宇宙での製造と高い互換性があるため、これらのスラスタを軌道上で直接製造することも可能です。

プロトタイプのスラスタは、安定した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 個のエレクトロスプレーエミッタで構成されています。テストでは、これらの 3D プリントデバイスが、既存の液滴発射型エレクトロスプレースラスタと同等かそれ以上の推力を生成できることが示されました。この技術により、宇宙飛行士は地球からスラスタが打ち上げられるのを待たずに、宇宙で衛星スラスタを素早く印刷できるようになります。

「従来の半導体製造方法は、低コストでの宇宙へのアクセスとは相容れない」と、MITマイクロシステム技術研究所（MTL）の主任研究科学者、ルイス・フェルナンド・ベラスケス＝ガルシア博士は語る。「私たちの目標は宇宙ハードウェアを民主化することであり、この研究では、この製造技術をより多くの参加者が利用できる高性能ハードウェアの製造方法を提案している。」

△この研究は、「圧力と電圧の制御によってスロットル制御される高インパルス、モジュール式、3Dプリントされたキューブサットエレクトロスプレースラスタ」というタイトルで、Advanced Science誌に掲載されました（ポータル）
エレクトロスプレー推進のモジュール製造を実現

エレクトロスプレー推進では、推進剤がマイクロ流体チャネルを通って一連のエミッターに流れる推進剤リザーバーを使用します。各エミッタ先端に静電場が適用され、電気流体力学的効果が生じ、液体の自由表面が円錐状のメニスカスに成形され、それによって先端から高速の帯電液滴が噴出され、推力が生成されます。

低電圧で電気流体力学的に推進剤を噴射するためには、エミッタの先端をできるだけ鋭くする必要があります。さらに、このデバイスには、マイクロ流体チャネルに推進剤を効果的に送達するために、液体の流れを貯蔵および調整するための複雑な油圧システムが必要です。

送信機アレイは 8 つの送信機モジュールで構成され、各モジュールには 4 つの独立した送信機アレイが含まれています。これらの送信機は連携して動作し、より大規模な相互接続されたモジュールシステムを形成する必要があります。

「これらのサブシステムは規模が異なるため、従来の製造プロセスを使用するのは適切ではありません」とベラスケス・ガルシア氏は指摘します。「私たちの重要な洞察は、ハイブリッド積層造形アプローチを通じて望ましい結果を達成し、すべての部品を接続して可能な限り効率的に連携する方法を見つけることでした。」

△エレクトロスプレースラスタの設計は、マニホールドブロック、エミッターモジュール、抽出電極の3つの主要コンポーネントで構成されています。この目標を達成するために、研究者は2つの異なるタイプの光重合印刷（VPP）を使用しました。 VPP では、感光性樹脂に光を照射して硬化させ、滑らかで高解像度の特徴を持つ 3D 構造を形成します。

研究者らは、2光子印刷と呼ばれるVPP法を使用してエミッターモジュールを製造した。この技術では、高度に集中したレーザービームを使用して、正確に定義された領域で樹脂を固め、一度に 1 つの小さなレンガ、つまりボクセル単位で 3D 構造を構築します。このレベルの詳細により、極めて鋭いエミッターチップと、推進剤を運ぶための細く均一な毛細管を製造することができました。

発射モジュール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に取り付けられており、各モジュールを保持して発射モジュールに推進剤を供給します。さらに、マニホールドブロックには、ランチャーモジュールと抽出電極が統合されており、適切な電圧が印加されると、ランチャーの先端が推進剤を排出するようになります。しかし、2 光子印刷を使用してより大きなマニホールドブロックを製造することは、この方法のスループットが低く、印刷量が限られているため、実現可能ではありません。

代わりに、研究者らは、チップサイズのプロジェクターを使用して樹脂に光を照射し、3D構造を1層ずつ固めるデジタル光処理と呼ばれる技術を使用しました。

「それぞれの技術は、ある規模では非常にうまく機能します。それらを組み合わせてデバイスを製作することで、それぞれのアプローチの長所を活かすことができるのです」とベラスケス・ガルシア氏は語った。

△3Dプリントエレクトロスプレースラスタの概略図
3Dプリント技術がエレクトロスプレースラスタの効率を向上

しかし、エレクトロスプレースラスタ部品の 3D プリントの成功は、戦いの半分に過ぎません。研究者らは、印刷された材料と導電性液体推進剤との適合性を確認するために化学実験も行った。材料が適合しない場合、推進剤がスラスタを腐食させたり、破損させたりする可能性があります。これは、ほとんどメンテナンスせずに長期間動作する必要があるハードウェアにとって明らかに良いことではありません。

さらに、性能に影響を及ぼす可能性のある位置ずれを防ぎ、デバイスの防水性を確保するために部品をクランプで固定する組み立て方法も開発しました。

最終的に、3D プリントされたプロトタイプは、より大きくて高価な化学ロケットよりも効率的に推力を発生させ、既存の液滴エレクトロスプレー推進装置よりも優れた性能を発揮しました。

△三極管構成を使用した真空中の 3D 印刷装置の特性評価。研究者らは、推進剤圧力の調整とスラスタ電圧が液滴の流れに与える影響についても研究しました。驚いたことに、電圧を調整することで、より広範囲の推力調整を実現しました。このアプローチにより、液体の流れを調節するためのパイプ、バルブ、圧力信号の複雑なネットワークが不要になり、より軽量で安価で効率的なエレクトロスプレースラスタが実現します。

「よりシンプルなスラスターでより良い結果が得られることを示した」とベラスケス＝ガルシア氏は語った。

研究者たちは、今後の研究でも電圧調整の潜在的な利点を探求し続けたいと考えている。また、より高密度で大規模な送信モジュールアレイを作成することも計画しています。さらに、複数の電極を使用して、推進剤の電気流体力学的噴射のトリガープロセスとジェットの形状および速度の制御を切り離すことも検討される可能性があります。長期的には、運用中および軌道離脱中に完全に 3D プリントされたエレクトロスプレースラスタを使用する CubeSat を実証することも計画しています。

この研究は、MathWorks Fellowship と NewSat Project から一部資金提供を受け、MIT Nano Facility のリソースと機器を使用しました。

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