PhD Thesis Defense by Raúl Ramos, predoctoral researcher at IMB-CNM.
Supervisors:
- Borja Sepúlveda (IMB-CNM)
- Javier Cruz (IENAI SPACE)
PhD Committee:
- José Manuel Quero Reboul
- Llibertat Abad Muñoz (IMB-CNM)
- Àngel Rodríguez Martín
University: Universitat Autònoma de Barcelona
About the thesis
La rápida aparición de los CubeSats y nanosatélites ha impulsado un cambio de paradigma en el sector espacial, permitiendo misiones económicas de observación terrestre, telecomunicaciones y experimentación científica. No obstante, su reducido tamaño limita la integración de sistemas de propulsión convencionales, restringiendo su capacidad para maniobras autónomas, evitación de colisiones, gestión de constelaciones y una disposición responsable al final de su vida útil. Esta carencia de propulsión representa hoy uno de los principales obstáculos para la madurez operativa de estas plataformas. Esta tesis doctoral aborda el desarrollo de una solución de propulsión avanzada diseñada específicamente para estos satélites: un propulsor electrospray de silicio basado en tecnología MEMS (sistemas microelectromecánicos). Esta tecnología de propulsión eléctrica destaca por su escalabilidad, bajo consumo energético, elevado impulso específico y baja complejidad. Funciona generando haces de partículas cargadas directamente desde líquidos iónicos mediante emisores a micro o nanoescala sometidos a altos campos eléctricos, sin necesidad de subsistemas complejos de ionización, lo que permite obtener relaciones empuje/potencia elevadas en un formato compacto. La principal contribución de esta investigación fue el diseño, fabricación y caracterización de una matriz de emisores electrospray de mojado externo, integrada en la plataforma ATHENA (Adaptable Thruster based on Electrospray for NAnosatellites). Los emisores se fabricaron como arreglos de microneedles afiladas recubiertas de nanohilos de silicio, mediante un proceso híbrido que combina fotolitografía, grabado iónico reactivo (RIE) y litografía coloidal. Esta arquitectura permite un transporte pasivo del propulsor por acción capilar, sin canales internos, lo cual previene obstrucciones y asegura estabilidad en el entorno espacial. Se realizó un análisis experimental detallado de la geometría de las puntas y de los patrones de emisión, evaluando parámetros clave como la corriente de emisión, la distribución angular del haz y la eficiencia empuje/potencia. Se observó que microneedles con ángulos de punta muy agudos (20º) generaban emisiones desviadas, debido a campos eléctricos intensos y a la emisión prematura del líquido iónico. En cambio, microneedles con ángulos mayores (30–35º) mostraron una emisión más colimada y eficiente. También se identificó que una mayor resistencia hidráulica —lograda mediante el ajuste de la densidad de las nanoestructuras— mejora la calidad del patrón de emisión. Adicionalmente, se estudiaron los mecanismos de degradación del sistema, como la erosión del material y el desgaste electroquímico, utilizando microscopía electrónica de barrido y pruebas prolongadas de emisión. Se implementaron recubrimientos protectores y ajustes en la geometría de los emisores para aumentar la durabilidad y robustez del dispositivo. Los resultados demostraron que el sistema electrospray desarrollado es compatible con las exigencias de los CubeSats: requiere poca energía, ocupa poco volumen y permite modular el empuje según la misión. La arquitectura de ATHENA ofrece escalabilidad y adaptabilidad para distintas aplicaciones. En conclusión, esta tesis presenta una solución tecnológica viable para integrar propulsión electrospray MEMS en futuras generaciones de nanosatélites, conectando los fundamentos físicos de la tecnología con su aplicación práctica en el espacio. Esta contribución representa un paso importante hacia plataformas más autónomas, sostenibles y funcionales en el ámbito de los pequeños satélites.
