Descripció del projecte
IENAI SPACE compta amb un prototip del seu motor de electrospray ATHENA, el qual ha demostrat – validat per l’ESA l’any 2023 – la capacitat d’operació contínua amb alta eficiència durant prop de 400 h.
Els motors ‘electrospray’ es basen en l’extracció de partícules carregades d’un líquid iònic, que són accelerades i expulsades a altes velocitats (~50 km/s) des de microagulles, generant impuls. Això s’aconsegueix mitjançant a la imposició d’un camp elèctric sobre el líquid iònic que, gràcies a les micro i nano estructures del sistema, és magnificat varis ordres de magnitud. Quan el camp és prou fort, ions i/o nano-gotes són arrencades del fluid i posteriorment accelerats i expulsats.
En el cas de IENAI SPACE, les partícules es llancen des de la peça “Emissor”, que ha estat acuradament desenvolupada combinant micro i nano tecnologia. En aquesta peça, és on succeïx la màgia: un joc en el qual intervenen fenòmens electroestàtics, energies superficials, capil·laritat i viscositat. Aquesta peça està a més dissenyada per a funcionar de manera espontània. Breument: el propel·lent, un líquid iònic extremadament estable, flueix espontàniament des d’un dipòsit cap a la punta de les agulles, guiat i controlat per les nano-estructures del sistema. En les microagulles, amb puntes esmolades en l’ordre d’una micra (deu vegades més petites que una cèl·lula humana), el camp elèctric imposat s’incrementa fins a dos ordres de magnitud, aconseguint valors d’ordre de 10^9 V/m (mil milions de volts per metre). Aquest valor és suficient per a arrencar ions i/o nano-gotes del líquid. Una vegada lliures, aquestes partícules carregades són accelerades i llançades cap a l’exterior per l’enorme camp elèctric, generant impuls de forma molt eficient.
Encara que el propulsor i el fenomen han estat satisfactòriament demostrats prèviament per IENAI SPACE en col·laboració amb el CNM i ICN2, la peça clau “Emissor” requereix d’un major desenvolupament i recerca. En particular, la peça “Emissor” es fabrica avui dia en silici, la qual cosa ha permès el seu desenvolupament amb tècniques tradicionals en Sala Blanca (UV lithography, dry/wet etching, etc.), però el procés associat és molt manual, lent, costós i limitat. En els últims anys estan sorgint noves tecnologies que, sent capaces de rivalitzar en resolució amb aquelles més tradicionals de Sala Blanca, no compten amb aquestes limitacions.
En aquest projecte es proposa la recerca de l’ús d’aquestes tecnologies com a vies alternatives per a la fabricació de la següent generació del sistema de micropropulsió. En particular i de manera preliminar, Laser Assisted Chemical Etching, que permet la microfrabricació de peces en cristall de forma semiautomatitzada, Two-Photon Photopolymerization 3D Printing, que permet la fabricació en micro i nano escala d’estructures impossibles mitjançant altres tècniques, i la Replicació de la peça Emissor de silici en materials híbrids òrgan-ceràmics, que permet la còpia de peces en materials robustos mecànica i químicament, facilitant enormement la seva producció. Ja s’han realitzat proves preliminars de les citades tècniques, i els resultats són molt prometedors. No obstant això, la seva aplicació en la línia de productes ATHENA requereix d’una extensa recerca i desenvolupament.
El/la doctorand/a s’encarregarà, participant amb la resta de l’equip de IENAI SPACE i sota la supervisió i tutela del responsable de l’empresa i del tutor del CNM, d’explorar aquestes noves tècniques de fabricació i la viabilitat de les peces resultants. El/la candidat/a començarà per realitzar una revisió bibliogràfica sobre motors ‘electrospray’ i els processos físics sobre els quals s’assenten. El/la doctorand/a desenvoluparà els coneixements i habilitats necessàries per a poder encarregar-se de la microfabricació, acoblament i testatge de les peces. En concret, s’adquirirà el coneixement i l’habilitat de treball en Sala Blanca, necessari per a la fabricació de peces en silici i/o per postprocessar peces fabricades amb altres tècniques. S’estudiarà el fonament de les esmentades noves tecnologies, entenent així les seves capacitats i limitacions. Es dissenyaran, fabricaran propulsors tant en silici com amb noves tecnologies. La caracterització de les peces es durà a terme primer de manera visual per microscòpia d’electrons seguida de l’avaluació de les seves actuacions propulsives en les cambres de buit de IENAI SPACE, aprofitant els diagnòstics desenvolupats per l’empresa per a aquesta mena de motors (inclosa la caracterització de la ploma quant a divergència i espècies emeses, l’estabilitat i eficiència del sistema, i l’impuls generat).
