Electrospray-based microelectromechanical systems for small spacecraft propulsion

Abstract

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.

La rápida aparición de los CubeSats y nanosatélites ha provocado un cambio de paradigma en el sector espacial, permitiendo misiones rentables para la observación de la Tierra, las telecomunicaciones y la investigación científica. Sin embargo, su tamaño compacto limita severamente la integración de sistemas de propulsión convencionales, restringiendo las maniobras autónomas, la evitación de colisiones, la gestión de constelaciones y la disposición responsable al final de su vida útil. Esta carencia de propulsión representa uno de los principales cuellos de botella para la madurez operativa de las plataformas de pequeños satélites.

Esta tesis doctoral explora el desarrollo de una solución de propulsión avanzada adaptada a estas plataformas: un propulsor tipo MEMS (sistema microelectromecánico) de electrospray basado en silicio. La propulsión por electrospray destaca entre las tecnologías de propulsión eléctrica por su escalabilidad intrínseca, bajo consumo energético, alto impulso específico y baja complejidad de sistema. Genera haces de partículas cargadas directamente a partir de líquidos iónicos, utilizando emisores a escala micro o nanométrica sometidos a campos eléctricos intensos, lo que elimina la necesidad de subsistemas complejos de ionización y permite una alta relación empuje-potencia en un formato miniaturizado.

La principal contribución de esta investigación fue el diseño, fabricación y caracterización de una matriz de emisores de electrospray tipo MEMS con humectación externa, integrada en la plataforma ATHENA (Adaptable Thruster based on Electrospray for NAnosatellites). Los emisores fueron diseñados como microagujas afiladas recubiertas con nanohilos de silicio, fabricados mediante un innovador proceso híbrido de microfabricación que combina fotolitografía, grabado seco (RIE) y litografía coloidal. Este diseño permite el transporte del propelente por capilaridad sin necesidad de canales internos, algo crucial para evitar obstrucciones y garantizar la estabilidad a largo plazo en el espacio.

Se llevó a cabo un análisis experimental exhaustivo que estudió la geometría de la punta, los patrones de emisión y la eficiencia, evaluando parámetros como la corriente de emisión, la distribución angular del haz y la eficiencia empuje-potencia. Los resultados mostraron que las microagujas extremadamente afiladas (ángulo de 20º) generaban una emisión fuera del eje elevada, debido a los intensos campos eléctricos y a la emisión prematura del líquido iónico antes de alcanzar la punta. Este comportamiento fue confirmado mediante análisis teóricos de las trayectorias de emisión desde distintos puntos de la punta. Por el contrario, microagujas con ángulos mayores (30–35º) lograron perfiles de emisión gaussianos estrechos, con emisión preferente hacia adelante y mayor eficiencia. Estudios preliminares también revelaron el impacto de la resistencia hidráulica al modificar la densidad superficial de las nanoestructuras, mostrando mejoras en los patrones de emisión con resistencias más altas. Además, se examinaron mecanismos de degradación como la erosión del material y el desgaste electroquímico mediante microscopía electrónica de barrido y pruebas de emisión de larga duración. Se optimizaron recubrimientos protectores y geometrías de los emisores para mejorar la vida útil operativa y la robustez del dispositivo.

Los resultados demostraron la compatibilidad del sistema de electrospray con las restricciones de los CubeSats: bajo consumo de energía y volumen mínimo. La modularidad de la plataforma ATHENA permite escalar el empuje y adaptarse a distintos perfiles de misión.

En conclusión, esta tesis valida una vía tecnológica para integrar la propulsión por electrospray basada en MEMS en naves espaciales pequeñas de nueva generación. Une la física fundamental del electrospray, la microfabricación avanzada y la propulsión práctica en el espacio, impulsando plataformas de nanosatélites más autónomas, sostenibles y capaces.

The rapid emergence of CubeSats and nanosatellites has driven a paradigm shift in the space sector, enabling cost-effective missions for Earth observation, telecommunications, and scientific research. However, their compact size severely limits the integration of conventional propulsion systems, restricting autonomous maneuvering, collision avoidance, constellation management, and responsible end-of-life disposal. This propulsion gap is a major bottleneck for the operational maturity of small satellite platforms.

This doctoral thesis explores the development of an advanced propulsion solution tailored for these platforms: a silicon-based electrospray microelectromechanical system (MEMS) thruster. Electrospray propulsion stands out among electric propulsion technologies due to its intrinsic scalability, low power needs, high specific impulse, and minimal system complexity. It generates charged particle beams directly from ionic liquids using micro or nanoscale emitters under high electric fields, removing the need for complex ionization subsystems and enabling high thrust-to-power ratios in a miniaturized form.

The core contribution of this research was the design, fabrication, and characterization of an externally wetted MEMS-based electrospray emitter array integrated into the ATHENA (Adaptable Thruster based on Electrospray for NAnosatellites) platform. Emitters were engineered as sharp microneedle arrays coated with dense silicon nanowires, fabricated using an innovative hybrid microfabrication process combining photolithography, reactive ion etching (RIE), and colloidal lithography. This design allows passive, capillary driven propellant transport without internal channels, crucial for preventing clogging and ensuring long-term stability in space.

A comprehensive experimental analysis studied tip geometry, emission patterns, and efficiency, evaluating metrics such as emission current, angular beam distribution, and thrust-to-power efficiency. Results showed that extremely sharp microneedles (20º tip angle) caused high off-axis emission due to intense electric fields and premature ionic liquid emission before reaching the tip. This was supported by theoretical analyses of emission trajectories from different points on the tip. Conversely, microneedles with larger tip angles (30–35º) achieved narrow Gaussian emission profiles with preferential forward emission and higher efficiency. Preliminary studies also revealed the impact of hydraulic resistance by adjusting nanostructure surface density, indicating improved emission patterns for higher resistances. Additionally, degradation mechanisms, including material erosion and electrochemical wear, were examined via scanning electron microscopy and long-duration emission tests. Protective coatings and emitter geometries were optimized to enhance operational lifetime and device robustness.

The results demonstrated the electrospray system’s compatibility with CubeSat constraints: low power consumption and minimal volume. The ATHENA platform’s modularity supports thrust scalability and adaptability to various mission profiles.

In conclusion, this thesis validates a technological pathway for integrating MEMS-based electrospray propulsion into next-generation small spacecraft. It bridges fundamental electrospray physics, advanced microfabrication, and practical in-space propulsion, advancing more autonomous, sustainable, and mission-capable nanosatellite platforms.