Electrospray-based microelectromechanical systems for small spacecraft propulsion
L'aparició ràpida dels CubeSats i nanosatèl·lits ha provocat un canvi de paradigma en el sector espacial, permetent missions rendibles per a l'observació de la Terra, les telecomunicacions i la recerca científica. No obstant això, la seva mida compacta limita greument la integració de sist...
| Autor: | |
|---|---|
| Tipo de documento: | tese |
| Data de publicação: | 2025 |
| País: | España |
| Recursos: | Universitat Autònoma de Barcelona |
| Repositório: | Dipòsit Digital de Documents de la UAB |
| Idioma: | inglês |
| OAI Identifier: | oai:ddd.uab.cat:322829 |
| Acesso em linha: | https://ddd.uab.cat/record/322829 |
| Access Level: | Acceso aberto |
| Palavra-chave: | MEMS Electrospray Satèl·lits Satellites Satélites Tecnologies |
| Resumo: | L'aparició ràpida dels CubeSats i nanosatèl·lits ha provocat un canvi de paradigma en el sector espacial, permetent missions rendibles per a l'observació de la Terra, les telecomunicacions i la recerca científica. No obstant això, la seva mida compacta limita greument la integració de sistemes de propulsió convencionals, restringint les maniobres autònomes, l'evitació de col·lisions, la gestió de constel·lacions i la disposició responsable al final de la vida útil. Aquesta manca de propulsió és un dels principals colls d'ampolla per a la maduresa operativa de les plataformes de petits satèl·lits. Aquesta tesi doctoral explora el desenvolupament d'una solució de propulsió avançada adaptada a aquestes plataformes: un propulsor de tipus MEMS (sistema microelectromecànic) basat en silici i amb tecnologia d'electrospray. La propulsió per electrospray destaca entre les tecnologies de propulsió elèctrica per la seva escalabilitat intrínseca, baix consum energètic, alt impuls específic i complexitat de sistema reduïda. Genera feixos de partícules carregades directament a partir de líquids iònics, mitjançant emissors a escala micro o nanomètrica sotmesos a camps elèctrics intensos, eliminant la necessitat de subsistemes d'ionització complexos i permetent una alta relació empenta-potència en format miniaturitzat. La contribució principal d'aquesta recerca ha estat el disseny, fabricació i caracterització d'un array d'emissors d'electrospray de tipus MEMS amb mullat extern, integrat a la plataforma ATHENA (Adaptable Thruster based on Electrospray for NAnosatellites). Els emissors van ser dissenyats com microagulles afilades recobertes de nanofils densos de silici, fabricats mitjançant un procés híbrid innovador que combina fotolitografia, gravat sec (RIE) i litografia col·loïdal. Aquest disseny permet el transport passiu del propel·lent per capil·laritat, sense canals interns, fet essencial per evitar obstruccions i garantir l'estabilitat a llarg termini a l'espai. S'hi va dur a terme una anàlisi experimental completa que va estudiar la geometria de la punta, els patrons d'emissió i l'eficiència, avaluant mètriques com el corrent d'emissió, la distribució angular del feix i la relació empenta-potència. Els resultats van mostrar que les microagulles extremadament afilades (angle de 20º) provocaven una emissió fora de l'eix elevada, deguda als camps elèctrics intensos i a l'emissió prematura del líquid iònic abans d'arribar a la punta. Aquest comportament es va confirmar amb anàlisis teòriques de les trajectòries d'emissió. En canvi, les microagulles amb angles de 30-35º van aconseguir perfils d'emissió gaussians estrets, amb emissió predominant cap endavant i una eficiència superior. Els estudis preliminars també van revelar l'impacte de la resistència hidràulica modificant la densitat superficial de les nanostructures, indicant millores en els patrons d'emissió amb resistències més altes. A més, es van examinar mecanismes de degradació com l'erosió del material i el desgast electroquímic mitjançant microscòpia electrònica d'escombratge i proves d'emissió de llarga durada. Es van optimitzar recobriments protectors i geometries d'emissors per millorar la durabilitat i la robustesa del dispositiu. Els resultats van demostrar la compatibilitat del sistema d'electrospray amb les restriccions dels CubeSats: baix consum d'energia i volum mínim. La modularitat de la plataforma ATHENA permet escalar l'empenta i adaptar-se a diferents perfils de missió. En conclusió, aquesta tesi valida un camí tecnològic per a la integració de propulsió electrospray basada en MEMS en naus espacials petites de nova generació. Uneix física fonamental de l'electrospray, microfabricació avançada i aplicació pràctica en propulsió espacial, promovent plataformes de nanosatèl·lits més autònomes, sostenibles i capaces. |
|---|