MIT-navorsers het 'n 3D-gedrukte plasmasensor vir wentelende ruimtetuie gedemonstreer wat net so goed werk as baie duurder halfgeleiersensors. Hierdie duursame, presiese sensors kan doeltreffend gebruik word op goedkoop, liggewig satelliete bekend as CubeSats, wat algemeen gebruik word vir omgewingsmonitering of weervoorspelling. Krediet: Figuur met vergunning van die navorsers en geredigeer deur MIT News
Goedkoop en vinnig om te vervaardig, hierdie digitaal vervaardig plasma sensors kan wetenskaplikes help om die weer te voorspel of klimaatsverandering te bestudeer.
Wetenskaplikes by MIT het die eerste volledig digitaal vervaardigde plasmasensors vir satelliete geskep. Hierdie plasmasensors, ook bekend as vertraagde potensiaalontleders (RPA's), word deur ruimtetuie wat wentel om die chemiese samestelling en ioon-energieverspreiding van die atmosfeer te bepaal.
Die 3D-gedrukte en lasergesnyde hardeware het presteer sowel as die nuutste halfgeleierplasmasensors. As gevolg van die vervaardigingsproses, wat 'n skoonkamer vereis, is halfgeleier plasmasensors duur en vereis weke van ingewikkelde vervaardiging. Daarteenoor kan hierdie 3D-gedrukte sensors binne 'n paar dae vir tientalle dollars vervaardig word.
As gevolg van hul lae koste en vinnige produksie, is die nuwe sensors ideaal vir CubeSats. Hierdie goedkoop, lae-krag en liggewig satelliete word dikwels gebruik vir kommunikasie en omgewingsmonitering in die Aarde se boonste atmosfeer.
Die span navorsers het RPA's ontwikkel met behulp van 'n glaskeramiekmateriaal wat veerkragtiger is as tradisionele sensormateriale soos silikon- en dunfilmbedekkings. Deur die glaskeramiek te gebruik in 'n vervaardigingsproses wat ontwikkel is vir 3D-drukwerk met plastiek, kon hulle sensors met komplekse vorms konstrueer wat die wye temperatuurswaaie wat 'n ruimtetuig in 'n laer Aarde-baan sou teëkom, kan weerstaan.
“Bykomende vervaardiging kan 'n groot verskil maak in die toekoms van ruimte-hardeware. Sommige mense dink dat wanneer jy iets 3D-druk, jy minder werkverrigting moet toegee. Maar ons het gewys dit is nie altyd die geval nie. Soms is daar niks om af te ruil nie,” sê Luis Fernando Velásquez-García, 'n hoofwetenskaplike in MIT se Microsystems Technology Laboratories (MTL) en senior skrywer van 'n referaat wat die plasmasensors aanbied.
Sluit aan by Velásquez-García die papier is hoofskrywer en MTL-postdoktor Javier Izquierdo-Reyes; nagraadse student Zoey Bigelow; en nadoktor Nicholas K. Lubinsky. Die navorsing word gepubliseer in Addisionele vervaardiging.
” sizes="(maks-width: 777px) 100vw, 777px" alt="3D-gedrukte plasmasensorskematiese" width="777" hoogte="501" aria-beskryf deur="caption-attachment-190588"=-ezsrcset https://europeantimes.news/wp-content/uploads/2022/08/3d-printed-plasma-sensor-schematic-777×501-jpg.jpg 777w,https://scitechdaily.com/images/3D-Printed -Plasma-Sensor-Skematic-400×258.jpg 400w,https://scitechdaily.com/images/3D-Printed-Plasma-Sensor-Skematic-768×496.jpg 768w,https://scitechdaily.com/images /3D-Gedrukte-Plasma-Sensor-Skematiese-1536×991.jpg 1536w,https://scitechdaily.com/images/3D-Gedrukte-Plasma-Sensor-Schematic.jpg 1838w” data-ezsrc=”https:// europeantimes.news/wp-content/uploads/2022/08/3d-printed-plasma-sensor-schematic-777×501-jpg.jpg” />
In 'n RPA gaan plasma deur 'n reeks elektries gelaaide mase wat met klein gaatjies gestippel is. Soos die plasma deur elke maas beweeg, word elektrone en ander deeltjies weggestroop totdat net ione oorbly. Hierdie figuur wys hoe die maas in die RPA-behuising pas, wat die mase in lyn bring. Krediet: Met vergunning van die navorsers
Veelsydige sensors
'n RPA is die eerste keer in 1959 in 'n ruimtesending gebruik. Die sensors bespeur die energie in ione, of gelaaide deeltjies, wat in plasma dryf, wat 'n oorverhitte mengsel van molekules is wat in die Aarde se boonste atmosfeer teenwoordig is. Aan boord van 'n wentelende ruimtetuig soos 'n CubeSat, meet die veelsydige instrumente energie en doen chemiese ontledings wat wetenskaplikes kan help om die weer te voorspel of klimaatsverandering te monitor.
Die sensors bevat 'n reeks elektries gelaaide gaastjies met klein gaatjies. Soos plasma deur die gate beweeg, word elektrone en ander deeltjies weggestroop totdat net ione oorbly. Hierdie ione skep 'n elektriese stroom wat die sensor meet en ontleed.
Die sleutel tot die sukses van 'n RPA is die behuisingstruktuur wat die maas in lyn bring. Dit moet elektries isolerend wees terwyl dit ook skielike, drastiese swaaie in temperatuur kan weerstaan. Die navorsers het 'n drukbare glaskeramiekmateriaal, bekend as Vitrolite, gebruik wat hierdie eienskappe vertoon.
Vitrolite, wat in die vroeë 20ste eeu begin is, is dikwels gebruik in kleurvolle teëls wat 'n algemene gesig in art deco-geboue geword het.
Die duursame materiaal kan ook temperature van so hoog as 800 grade weerstaan Celsius (1472 grade Fahrenheit) sonder om af te breek, terwyl polimere wat in halfgeleier RPA's gebruik word by 400 grade Celsius (752 grade Fahrenheit) begin smelt.
“Wanneer jy hierdie sensor in die skoonkamer maak, het jy nie dieselfde mate van vryheid om materiale en strukture te definieer en hoe hulle saamwerk nie. Wat dit moontlik gemaak het, is die jongste ontwikkelings in bykomende vervaardiging,” sê Velásquez-García.
” sizes=”(maks-width: 777px) 100vw, 777px” alt=”Vertragende potensiaalontleder-eksperiment Ioon-energieverspreidingsensor” width=”777″ hoogte=”518″ aria-beskryf deur=”caption-attachment-190587 ezsrcset=”https://europeantimes.news/wp-content/uploads/2022/08/retarding-potential-analyzer-experiment-ion-energy-distribution-sensor-777×518-jpg.jpg 777w,https:// scitechdaily.com/images/Retarding-Potential-Analyzer-Experiment-Ion-Energy-Distribution-Sensor-400×267.jpg 400w,https://scitechdaily.com/images/Retarding-Potensial-Analyzer-Experiment-Ion-Energy -Verspreiding-sensor-768×512.jpg 768w,https://scitechdaily.com/images/Retarding-Potential-Analyzer-Experiment-Ion-Energy-Distribution-Sensor-1536×1024.jpg 1536w,https://scitechdaily .com/images/Retarding-Potential-Analyzer-Experiment-Ion-Energy-Distribution-Sensor.jpg 1902w” data-ezsrc=”https://europeantimes.news/wp-content/uploads/2022/08/retarding-potential -ontleder-eksperiment-ioon-energie-verspreiding-sensor-777×518-jpg.jpg” />
Hierdie figuur toon 'n eksperiment waarin die navorsers hul RPA opstel om dit as 'n ioon-energieverspreidingsensor te karakteriseer. Krediet: Met vergunning van die navorsers
Heroorweging van fabrikasie
Die 3D-drukproses vir keramiek behels gewoonlik keramiekpoeier wat met 'n laser geslaan word om dit in vorms te versmelt. Hierdie proses laat die materiaal egter dikwels grof en skep swak punte as gevolg van die hoë hitte van die lasers.
In plaas daarvan het die MIT-wetenskaplikes vat-polimerisasie gebruik, 'n proses wat dekades gelede ingestel is vir bykomende vervaardiging met polimere of harse. Met vat-polimerisasie word 'n 3D-struktuur een laag op 'n slag gebou deur dit herhaaldelik in 'n vat vloeibare materiaal, in hierdie geval, Vitrolite, onder te dompel. Ultravioletlig word gebruik om die materiaal te genees nadat elke laag bygevoeg is, en dan word die platform weer in die vat gedompel. Elke laag is slegs 100 mikron dik (ongeveer die deursnee van 'n menslike haar), wat die skepping van gladde, porieëvrye, komplekse keramiekvorms moontlik maak.
In digitale vervaardiging kan voorwerpe wat in 'n ontwerplêer beskryf word, baie ingewikkeld wees. Hierdie akkuraatheid het die navorsers in staat gestel om lasergesnyde maaswerk met unieke vorms te skep, sodat die gate perfek in lyn was toe hulle in die RPA-behuising geplaas is. Dit stel meer ione in staat om deur te gaan, wat lei tot hoër resolusie metings.
Omdat die sensors goedkoop was om te vervaardig en so vinnig vervaardig kon word, het die span vier unieke ontwerpe geprototipeer.
Terwyl een ontwerp veral effektief was om 'n wye reeks plasma's vas te vang en te meet, soos dié wat 'n satelliet in 'n wentelbaan sou teëkom, was 'n ander goed geskik vir die waarneming van uiters digte en koue plasma's, wat tipies net meetbaar is met ultrapresiese halfgeleiertoestelle.
Hierdie hoë akkuraatheid kan 3D-gedrukte sensors moontlik maak vir toepassings in fusie-energie-navorsing of supersoniese vlug. Die vinnige prototiperingsproses kan selfs meer innovasie in satelliet- en ruimtetuigontwerp aanspoor, voeg Velásquez-García by.
“As jy wil innoveer, moet jy kan misluk en die risiko kan bekostig. Bykomende vervaardiging is 'n heel ander manier om ruimte hardeware te maak. Ek kan ruimte-hardeware maak en as dit misluk, maak dit nie saak nie, want ek kan 'n nuwe weergawe baie vinnig en goedkoop maak, en regtig die ontwerp herhaal. Dit is ’n ideale sandbak vir navorsers,” sê hy.
Terwyl Velásquez-García tevrede is met hierdie sensors, wil hy die vervaardigingsproses in die toekoms verbeter. Die vermindering van die dikte van lae of pixelgrootte in glaskeramiekvat-polimerisasie kan komplekse hardeware skep wat selfs meer presies is. Verder sal die volledig additiewe vervaardiging van die sensors hulle versoenbaar maak met in-ruimte-vervaardiging. Hy wil ook die gebruik van kunsmatige intelligensie ondersoek om sensorontwerp vir spesifieke gebruiksgevalle te optimaliseer, soos om hul massa aansienlik te verminder terwyl te verseker dat hulle struktureel gesond bly.
Verwysing: "Kompakte vertraagde potensiële analiseerders aangeskakel deur glaskeramiekvat-polimerisasie vir CubeSat en laboratoriumplasmadiagnostiek" deur Javier Izquierdo-Reyes, Zoey Bigelow, Nicholas K. Lubinsky en Luis Fernando Velásquez-García, 13 Julie 2022 Addisionele vervaardiging.
DOI: 10.1016/j.addma.2022.103034
Hierdie werk is gedeeltelik befonds deur MIT, die MIT-Tecnológico de Monterrey Nanotegnologie-program, die MIT Portugal-program en die Portugese Stigting vir Wetenskap en Tegnologie.
