Elektrosproeimotor: voortstuwing met piepkleine elektrisch geladen druppeltjes
Een elektrosproeimotor, in het Engels een electrospray thruster, is een piepklein voortstuwingssysteem voor satellieten dat geen brandstof verbrandt, maar een geleidende vloeistof onder een zeer sterke elektrische spanning zet. Aan het topje van een naaldje wordt de vloeistof daardoor uiteengerukt in extreem kleine, elektrisch geladen druppeltjes of zelfs losse ionen. Die worden vervolgens door hetzelfde elektrische veld weggeschoten met enorme snelheid. Doordat er iets de ene kant op wordt weggeschoten, wordt de satelliet zelf een heel klein beetje de andere kant op geduwd — hetzelfde principe als bij elke raketmotor, maar dan op microscopische schaal.
Vergelijk het met een parfumverstuiver die niet met luchtdruk werkt, maar met statische elektriciteit: houd een geladen kam bij een dunne waterstraal en je ziet het water uiteenspatten in een waaier van piepkleine druppeltjes. Een elektrosproeimotor doet iets vergelijkbaars, maar dan in het luchtledige van de ruimte en met veel hogere spanningen, zodat de druppeltjes met kilometers per seconde wegschieten. De kracht die dit oplevert is minuscuul — je zou hem niet eens voelen op je hand — maar in de gewichtloze ruimte is dat genoeg om een klein satellietje heel nauwkeurig bij te sturen.
Wat is het precies?
Het hart van een elektrosproeimotor is een reservoir met een geleidende vloeistof, meestal een zogeheten ionische vloeistof: een zout dat, in tegenstelling tot bijvoorbeeld keukenzout, al bij kamertemperatuur vloeibaar is en nauwelijks verdampt in het vacuüm van de ruimte. Die vloeistof wordt via haarvaten of poreuze structuurtjes naar de punt van een reeks piepkleine naaldjes gevoerd, vaak niet dikker dan een haar.
Tussen die naaldjes en een raster of elektrode vlak ervoor staat een spanning van enkele duizenden volt. Dat elektrische veld trekt de vloeistof aan de naaldpunt uit tot een scherpe kegel, genoemd naar de Britse natuurkundige Geoffrey Taylor die dit verschijnsel in de jaren zestig beschreef: de Taylor-kegel. Aan de uiterste top van die kegel wordt het veld zo sterk dat de vloeistof niet langer bij elkaar blijft, maar losraakt in de vorm van geladen druppeltjes of individuele ionen.
Diezelfde elektrische spanning die de druppeltjes losmaakt, versnelt ze meteen ook weg van de satelliet. Omdat elk naaldje maar een verwaarloosbaar klein beetje stuwkracht levert, worden er honderden tot duizenden naast elkaar gezet in een array — vaak gemaakt met dezelfde precisietechnieken als in de chipindustrie. Samen leveren die arrays een stuwkracht van typisch enkele microNewton tot een paar milliNewton: te weinig om een boek op te tillen, maar met een motor die maanden of jaren continu kan blijven bijsturen zonder te verstoppen of te verslijten, is dat in de ruimte ruim voldoende.
Wat wil men ermee bereiken?
Kleine satellieten — cubesats en andere zogeheten smallsats, vaak niet groter dan een schoenendoos of een koelkast — hebben steeds vaker een eigen motortje nodig. Zonder voortstuwing zakken ze langzaam uit hun baan door luchtweerstand van de dunne restatmosfeer, kunnen ze niet in formatie met andere satellieten vliegen en kunnen ze aan het einde van hun leven niet gecontroleerd de atmosfeer in gestuurd worden om als ruimteschroot te verdwijnen.
Traditionele chemische motoren, die brandstof verbranden, zijn voor dit soort kleine satellieten vaak te zwaar, te grof in hun regeling en behoeven drukvaten die relatief veel plaats innemen. Elektrische voortstuwing in het algemeen lost dat deels op: door elektriciteit (uit zonnepanelen) te gebruiken om de uitgestoten massa tot veel hogere snelheden te versnellen dan bij verbranding mogelijk is, heb je voor dezelfde totale snelheidsverandering — uitgedrukt in de vakterm delta-v — veel minder brandstofmassa nodig. Dat heet een hoge specifieke impuls: een maat voor hoe zuinig een motor met zijn brandstof omspringt.
Elektrosproeimotoren zijn binnen die familie van elektrische motoren bijzonder aantrekkelijk omdat ze extreem compact zijn, geen bewegende delen hebben, weinig stroom vragen en heel fijn regelbaar zijn. Dat laatste is essentieel voor missies die niet zozeer veel stuwkracht nodig hebben, maar wel extreme precisie: satellieten die decennia lang op exact dezelfde plek in een baan moeten blijven, of wetenschappelijke instrumenten die tot op nanometers nauwkeurig stil moeten hangen ten opzichte van een vrij zwevende testmassa.
Voorbeelden uit de praktijk
De bekendste demonstratie tot nu toe is LISA Pathfinder, een technologiedemonstratiemissie van de Europese ruimtevaartorganisatie ESA die in 2015 werd gelanceerd. Aan boord zat het Amerikaanse ST7-experiment van NASA, met colloïdale elektrosproeimotoren gebouwd door het bedrijf Busek. Deze hielden de satelliet met extreme precisie gecentreerd rond twee vrij zwevende testmassa's, als voorbereiding op toekomstige detectie van zwaartekrachtsgolven vanuit de ruimte. De test werd algemeen als succesvol beschouwd en leverde belangrijke gegevens op voor de geplande opvolgmissie LISA.
Het Amerikaanse bedrijf Accion Systems, voortgekomen uit onderzoek aan het MIT Space Propulsion Laboratory, ontwikkelde de zogeheten TILE-motoren (Tiled Ionic Liquid Electrospray): modulaire tegeltjes met elektrosproeimotoren die je kunt stapelen naar de gewenste stuwkracht. Het bedrijf werd rond 2014 opgericht door onder anderen Natalya Bailey en is in 2022 overgenomen door het raketbedrijf Rocket Lab, dat de technologie nu als onderdeel van zijn eigen voortstuwingsaanbod verkoopt.
In Oostenrijk maakt Enpulsion, een spin-off van het onderzoeksinstituut FOTEC en de TU Wien, de IFM Nano Thruster. Die werkt volgens een nauw verwant principe, veldemissie-elektrische voortstuwing (FEEP) genoemd, maar met vloeibaar metaal (indium) in plaats van een ionische vloeistof als bron van geladen deeltjes. Deze motoren zijn inmiddels op tientallen commerciële smallsat-missies gebruikt voor het op koers houden van satellieten.
Aan de onderzoekskant blijft het MIT Space Propulsion Laboratory, onder leiding van hoogleraar Paulo Lozano, een van de meest toonaangevende groepen: al meer dan tien jaar verfijnen zij de opbouw en betrouwbaarheid van elektrosproeimotor-arrays, met verschillende door MIT ontworpen motoren die inmiddels op testsatellieten hebben gevlogen.
Hoe ver is de techniek?
In de ruimtevaart wordt de volwassenheid van een technologie vaak uitgedrukt in een Technology Readiness Level (TRL), een schaal van 1 (nog puur theoretisch idee) tot 9 (bewezen tijdens een echte missie). Voor kleine, laagvermogen-elektrosproeimotoren voor cubesats staat de techniek inmiddels op een hoog niveau: er bestaan commerciële producten die al meerdere jaren daadwerkelijk in de ruimte vliegen voor stationhouding en oriëntatie.
Voor grotere, krachtigere toepassingen en voor missies die jarenlang zonder onderhoud moeten functioneren, ligt dat anders en is er nog volop ontwikkeling gaande. Belangrijke knelpunten zijn de levensduur van de piepkleine emittertjes, die kunnen verstoppen of slijten; het risico dat weggeschoten deeltjes weer neerslaan op gevoelige onderdelen van de satelliet, zoals zonnepanelen of optische instrumenten; en de opschaling naar hogere totale stuwkracht zonder de fijne regelbaarheid te verliezen die juist de grote kracht van dit type motor is.
De vooruitgang verloopt geleidelijk: het onderliggende natuurkundige principe is al decennia bekend, maar pas de combinatie van moderne precisiefabricage, stabielere ionische vloeistoffen en de opkomst van goedkope kleine satellieten heeft de techniek de afgelopen vijftien à twintig jaar echt praktisch bruikbaar gemaakt. Verdere verbeteringen worden vooral verwacht in betrouwbaarheid over langere missieduur en in het combineren van meerdere arrays tot krachtigere, robuustere systemen.
Wie werken eraan?
Naast de al genoemde partijen is het Amerikaanse Busek Company al decennialang een belangrijke commerciële leverancier van colloïdale en elektrosproei-gebaseerde voortstuwingssystemen voor onder meer NASA-missies. ESA financiert onderzoek en demonstraties op dit gebied via zijn technologieprogramma's en heeft met LISA Pathfinder een cruciale praktijktest mogelijk gemaakt; de opvolgmissie LISA, gericht op het meten van zwaartekrachtsgolven vanuit de ruimte, bouwt hierop voort. In de Verenigde Staten dragen NASA en het Jet Propulsion Laboratory bij aan onderzoek naar precisie-voortstuwing voor wetenschappelijke missies.
Academisch is naast MIT ook onderzoek gaande aan diverse Europese technische universiteiten naar elektrische ruimtevoortstuwing in bredere zin, al is de specifieke expertise in elektrosproeitechniek geconcentreerd bij een beperkt aantal gespecialiseerde laboratoria en de enkele bedrijven die zich hierin hebben gespecialiseerd, met de Verenigde Staten en Oostenrijk als opvallende zwaartepunten.