يطبع باحثو معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا مجسات بلازما دقيقة ثلاثية الأبعاد للأقمار الصناعية

رخيصة وسريعة الإنتاج ، تم تصنيعها رقميًا بلازما يمكن لأجهزة الاستشعار أن تساعد العلماء على التنبؤ بالطقس أو دراسة تغير المناخ.

العلماء في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ابتكرنا أول مستشعرات بلازما مصنوعة رقميًا بالكامل للأقمار الصناعية. تُستخدم مستشعرات البلازما هذه ، والمعروفة أيضًا باسم أجهزة التحليل المحتملة المؤخرة (RPAs) ، عن طريق دوران المركبات الفضائية لتحديد التركيب الكيميائي وتوزيع الطاقة الأيونية في الغلاف الجوي.

تم إجراء الأجهزة المطبوعة بالليزر والقطع بالليزر بالإضافة إلى أحدث أجهزة استشعار البلازما من أشباه الموصلات. نظرًا لعملية التصنيع التي تتطلب غرفة نظيفة ، فإن أجهزة استشعار البلازما شبه الموصلة باهظة الثمن وتتطلب أسابيع من التصنيع المعقد. على النقيض من ذلك ، يمكن إنتاج هذه المستشعرات المطبوعة ثلاثية الأبعاد بعشرات الدولارات في غضون أيام.

نظرًا لتكلفتها المنخفضة وسرعة إنتاجها ، تعد المستشعرات الجديدة مثالية لـ CubeSats. غالبًا ما تُستخدم هذه الأقمار الصناعية الرخيصة ومنخفضة الطاقة وخفيفة الوزن للاتصالات والمراقبة البيئية في الغلاف الجوي العلوي للأرض.

طور فريق الباحثين RPAs باستخدام مادة خزفية زجاجية أكثر مرونة من مواد الاستشعار التقليدية مثل السيليكون والأغشية الرقيقة. باستخدام السيراميك الزجاجي في عملية التصنيع التي تم تطويرها للطباعة ثلاثية الأبعاد بالبلاستيك ، تمكنوا من بناء أجهزة استشعار بأشكال معقدة يمكنها تحمل تقلبات درجات الحرارة الواسعة التي قد تواجهها مركبة فضائية في مدار الأرض السفلي.

"يمكن أن يحدث التصنيع الإضافي فرقًا كبيرًا في مستقبل أجهزة الفضاء. يعتقد بعض الناس أنه عند الطباعة ثلاثية الأبعاد لشيء ما ، عليك التنازل عن أداء أقل. لكننا أظهرنا أن هذا ليس هو الحال دائمًا. يقول لويس فرناندو فيلاسكيز غارسيا ، العالم الرئيسي في مختبرات مايكروسيستمز للتكنولوجيا (MTL) في معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا (MTL) وكبير مؤلفي الورقة البحثية التي تقدم مستشعرات البلازما: "في بعض الأحيان لا يوجد شيء يمكن مقايضته".

الانضمام إلى Velásquez-García بتاريخ الورقة المؤلف الرئيسي و MTL لما بعد الدكتوراة Javier Izquierdo-Reyes؛ طالبة الدراسات العليا زوي بيجلو؛ وما بعد الدكتوراة نيكولاس ك.لوبنسكي. تم نشر البحث في التصنيع المضافة.

"أحجام =" (max-width: 777px) 100vw، 777px "alt =" 3D Printed Plasma Sensor Schematic "width =" 777 ″ height = "501 aria-الموصوفة =" caption-attachment-190588 ″ data-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-Schematic-400 × 258.jpg 400 واط ، https: //scitechdaily.com/images/3D-Printed-Plasma-Sensor-Schematic-768×496.jpg 768w ، https: //scitechdaily.com/images /3D-Printed-Plasma-Sensor-Schematic-1536×991.jpg 1536w ، https: //scitechdaily.com/images/3D-Printed-Plasma-Sensor-Schematic.jpg 1838w ”data-ezsrc =" https: // europeantimes.news/wp-content/uploads/2022/08/3d-printed-plasma-sensor-schematic-777×501-jpg.jpg ”/>

في RPA ، تمر البلازما عبر سلسلة من الشبكات المشحونة كهربائيًا المنقطة بثقوب صغيرة. عندما تمر البلازما عبر كل شبكة ، يتم تجريد الإلكترونات والجسيمات الأخرى حتى تبقى الأيونات فقط. يوضح هذا الشكل كيف تتلاءم الشبكات داخل مبيت RPA ، مما يؤدي إلى محاذاة الشبكات. الائتمان: بإذن من الباحثين

أجهزة استشعار متعددة الاستخدامات

تم استخدام RPA لأول مرة في مهمة فضائية في عام 1959. تكتشف المستشعرات الطاقة في الأيونات ، أو الجسيمات المشحونة ، التي تطفو في البلازما ، وهي مزيج شديد الحرارة من الجزيئات الموجودة في الغلاف الجوي العلوي للأرض. على متن مركبة فضائية تدور في مدارات مثل CubeSat ، تقيس الأدوات متعددة الاستخدامات الطاقة وتجري التحليلات الكيميائية التي يمكن أن تساعد العلماء على التنبؤ بالطقس أو مراقبة تغير المناخ.

تحتوي المستشعرات على سلسلة من الشبكات المشحونة كهربائيًا المنقطة بثقوب صغيرة. عندما تمر البلازما عبر الثقوب ، يتم تجريد الإلكترونات والجسيمات الأخرى حتى تبقى الأيونات فقط. تخلق هذه الأيونات تيارًا كهربائيًا يقيسه المستشعر ويحلله.

مفتاح نجاح RPA هو هيكل الإسكان الذي يحاذي الشبكات. يجب أن يكون عازلًا كهربائيًا مع قدرته أيضًا على تحمل التقلبات الشديدة المفاجئة في درجة الحرارة. استخدم الباحثون مادة خزفية زجاجية قابلة للطباعة تُعرف باسم فيتروليت والتي تظهر هذه الخصائص.

كان Vitrolite رائدًا في أوائل القرن العشرين ، وغالبًا ما كان يستخدم في البلاط الملون الذي أصبح مشهدًا شائعًا في مباني آرت ديكو.

يمكن أن تتحمل المواد المتينة أيضًا درجات حرارة تصل إلى 800 درجة درجة مئوية (1472 درجة فهرنهايت) دون أن تتحلل ، بينما تبدأ البوليمرات المستخدمة في أشباه الموصلات في الذوبان عند 400 درجة مئوية (752 درجة فهرنهايت).

"عندما تصنع هذا المستشعر في غرفة الأبحاث ، لا تتمتع بنفس الدرجة من الحرية في تحديد المواد والهياكل وكيفية تفاعلها معًا. يقول فيلاسكيز-غارسيا: "ما جعل هذا ممكنًا هو أحدث التطورات في التصنيع الإضافي".

"أحجام =" (max-width: 777px) 100vw، 777px "alt =" تأخير محلل محتمل تجربة مستشعر توزيع طاقة Ion "العرض =" 777 ″ height = "518 ″ aria- الموصوفة =" caption-attachment-190587 ″ data- 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 400 واط ، https: //scitechdaily.com/images/Retarding-Potential-Analyzer-Experiment-Ion-Energy -Distribution-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 -محلل-تجربة-أيون-مستشعر توزيع الطاقة-777 × 518-jpg.jpg ”/>

يوضح هذا الشكل تجربة قام فيها الباحثون بإعداد تقنية RPA الخاصة بهم لتوصيفها على أنها مستشعر توزيع طاقة الأيونات. الائتمان: بإذن من الباحثين

إعادة التفكير في التصنيع

عادةً ما تتضمن عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد للسيراميك مسحوقًا خزفيًا يتم ضربه بالليزر لدمجها في أشكال. ومع ذلك ، غالبًا ما تترك هذه العملية المادة خشنة وتخلق نقاط ضعف بسبب الحرارة العالية من الليزر.

بدلاً من ذلك ، استخدم علماء معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا بلمرة الحوض ، وهي عملية أدخلت منذ عقود لتصنيع المواد المضافة بالبوليمرات أو الراتنجات. مع بلمرة الحوض ، يتم بناء هيكل ثلاثي الأبعاد طبقة واحدة في كل مرة عن طريق غمرها بشكل متكرر في وعاء من المواد السائلة ، في هذه الحالة ، Vitrolite. يتم استخدام الضوء فوق البنفسجي لمعالجة المادة بعد إضافة كل طبقة ، ثم يتم غمر المنصة في الحوض مرة أخرى. يبلغ سمك كل طبقة 3 ميكرون فقط (قطر شعرة الإنسان تقريبًا) ، مما يتيح إنشاء أشكال خزفية ناعمة وخالية من المسام ومعقدة.

في التصنيع الرقمي ، يمكن أن تكون الكائنات الموصوفة في ملف التصميم معقدة للغاية. سمحت هذه الدقة للباحثين بإنشاء شبكات مقطوعة بالليزر بأشكال فريدة بحيث تصطف الثقوب بشكل مثالي عند وضعها داخل غلاف RPA. يتيح ذلك مرور المزيد من الأيونات ، مما يؤدي إلى قياسات عالية الدقة.

نظرًا لأن إنتاج المستشعرات كان رخيصًا ويمكن تصنيعه بسرعة كبيرة ، فقد وضع الفريق نموذجًا أوليًا لأربعة تصميمات فريدة.

بينما كان أحد التصميمات فعالًا بشكل خاص في التقاط وقياس مجموعة واسعة من البلازما ، مثل تلك التي قد يواجهها قمر صناعي في المدار ، كان تصميم آخر مناسبًا تمامًا لاستشعار البلازما شديدة الكثافة والباردة ، والتي لا يمكن قياسها عادةً إلا باستخدام أجهزة أشباه الموصلات فائقة الدقة.

يمكن لهذه الدقة العالية أن تمكن أجهزة الاستشعار المطبوعة ثلاثية الأبعاد للتطبيقات في أبحاث طاقة الاندماج أو الطيران الأسرع من الصوت. يضيف Velásquez-García أن عملية النمذجة السريعة يمكن أن تحفز المزيد من الابتكار في تصميم الأقمار الصناعية والمركبات الفضائية.

"إذا كنت ترغب في الابتكار ، فأنت بحاجة إلى أن تكون قادرًا على الفشل وتحمل المخاطر. التصنيع الإضافي هو طريقة مختلفة جدًا لصنع أجهزة الفضاء. يمكنني صنع أجهزة فضائية وإذا فشلت ، لا يهم لأنني أستطيع إنشاء نسخة جديدة بسرعة كبيرة وبتكلفة زهيدة ، وأكرر التصميم حقًا. إنه صندوق رمل مثالي للباحثين.

بينما يسعد Velásquez-García بهذه المستشعرات ، فإنه يريد تعزيز عملية التصنيع في المستقبل. يمكن أن يؤدي تقليل سمك الطبقات أو حجم البكسل في بلمرة وعاء الزجاج والسيراميك إلى إنشاء أجهزة معقدة أكثر دقة. علاوة على ذلك ، فإن التصنيع الإضافي الكامل لأجهزة الاستشعار سيجعلها متوافقة مع التصنيع في الفضاء. يريد أيضًا استكشاف استخدام الذكاء الاصطناعي لتحسين تصميم المستشعر لحالات استخدام محددة ، مثل تقليل كتلتها بشكل كبير مع ضمان بقائها سليمة من الناحية الهيكلية.

المرجع: "أجهزة التحليل المحتملة للتثبيط المدمجة التي تم تمكينها بواسطة بلمرة أحواض الزجاج والسيراميك لتشخيصات البلازما في CubeSat والمختبر" بقلم Javier Izquierdo-Reyes و Zoey Bigelow و Nicholas K.Lubinsky و Luis Fernando Velásquez-García ، 13 يوليو 2022 ، التصنيع المضافة.
DOI: 10.1016 / j.addma.2022.103034

تم تمويل هذا العمل جزئيًا من قبل معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، وبرنامج MIT-Tecnológico de Monterrey لتكنولوجيا النانو ، وبرنامج MIT Portugal ، والمؤسسة البرتغالية للعلوم والتكنولوجيا.