High field electrokinetic effect: Theoretical analysis and capabilities for space propulsion
- Autores: Miquel Sureda
- Directores de la Tesis: Francisco Javier Diez Garias (dir. tes.), Jasmina Casals-Terré (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ( España ) en 2012
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Raquel Pérez Castillejos (presid.), Roberto Castilla López (secret.), Antonio Baldi Coll (voc.)
- Materias:
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- Resumen
Uno de los principales objetivos en el diseño de cualquier misión espacial es fabricar plataformas capaces de garantizar el comportamiento requerido con el mínimo peso y consumo de potencia posibles. En los últimos años, el desarrollo de misiones de bajo coste y la aparición de nuevas empresas relacionadas con la tecnología espacial, han promovido el uso de micro y nano-satélites. Las nuevas demandas de miniaturización de la tecnología espacial ha forzado a los diseñadores a explorar nuevas maneras para reducir el tamaño de los motores. Estos sistemas de micro-propulsión deben proporcionar empujes extremadamente pequeños y precisos para una gran variedad de misiones. El vuelo de sondas en formación y el control preciso de la actitud de micro-satélites son ejemplos en los que se requieren empujes en el rango de los micro y mili-Newtons. Este trabajo incluye análisis teórico y experimental considerando las posibilidades de actuadores electrocinéticos en el campo de la micro-propulsión espacial. El documento también presenta un método experimental para medir el potencial zeta de las partículas, directamente en el flujo electroosmótico en dispositivos micro-fluídicos.
La primera parte del trabajo describe un modelo electro-hidro-dinámico del flujo electroosmótico en nano-canales, representando el primer intento de explotar las ventajas del efecto electrocinético como base para un nuevo tipo de propulsores en la nano-escala, disponibles para la propulsión espacial. Entre sus ventajas están su pequeño volumen, su simplicidad, su reducida masa total y su eficiencia.
Para complementar el estudio teórico, se han llevado a cabo análisis experimentales que han proporcionado importantes datos para caracterizar el efecto electrocinético bajo altos campos eléctricos. Para la visualización de los flujos, se ha usado la técnica experimental del micro-PIV. Se han usado diferentes micro-canales y disoluciones, para obtener información paramétrica. Los resultados muestran que las variables propulsivas más importantes pueden verse mejoradas si un moderado calentamiento por efecto Joule afecta el interior de los micro-canales.
Además, se ha presentado un nuevo método para calcular la velocidad electroforética de las fluoro-esferas que se usan como partículas trazadoras en los experimentos de micro-PIV. Este método usa el corto transitorio del flujo electroosmótico que se genera justo después de que se imponga una diferencia de potencial a lo largo del micro-canal, antes de llegar al estado casi-estacionario. Durante el inicio del régimen transitorio, el efecto electroforético es dominante en el centro del canal y el efecto electroosmótico es despreciable. Así, la velocidad electroforética de las partículas se puede obtener midiendo su velocidad, con micro-PIV, durante este momento inicial. La técnica es usada para obtener las velocidades electroforéticas de las partículas trazadoras empleadas en los experimentos de toda la tesis.
