Výzkumníci z MIT předvedli 3D tištěný plazmový senzor pro obíhající kosmické lodě, který funguje stejně dobře jako mnohem dražší polovodičové senzory. Tyto odolné, přesné senzory by mohly být efektivně použity na levných, lehkých satelitech známých jako CubeSats, které se běžně používají pro monitorování prostředí nebo předpověď počasí. Kredit: Obrázek s laskavým svolením výzkumníků a editoval MIT News
Levné a rychlé na výrobu, tyto digitálně vyrobené plazma senzory by mohly vědcům pomoci předpovídat počasí nebo studovat změnu klimatu.
Vědci v MIT vytvořili první kompletně digitálně vyrobené plazmové senzory pro satelity. Tyto plazmové senzory, známé také jako analyzátory retardačního potenciálu (RPA), používají kosmické lodě na oběžné dráze k určení chemického složení a distribuce iontové energie v atmosféře.
3D tištěný a laserem řezaný hardware fungoval stejně jako nejmodernější polovodičové plazmové senzory. Vzhledem k výrobnímu procesu, který vyžaduje čisté prostory, jsou polovodičové plazmové senzory drahé a vyžadují týdny složité výroby. Naproti tomu tyto 3D tištěné senzory lze vyrobit za desítky dolarů v řádu dnů.
Díky nízké ceně a rychlé výrobě jsou nové senzory ideální pro CubeSaty. Tyto levné, nízkoenergetické a lehké satelity se často používají pro komunikaci a monitorování životního prostředí v horních vrstvách zemské atmosféry.
Tým výzkumníků vyvinul RPA pomocí sklokeramického materiálu, který je odolnější než tradiční senzorové materiály, jako je křemík a tenkovrstvé povlaky. Použitím sklokeramiky ve výrobním procesu, který byl vyvinut pro 3D tisk s plasty, byli schopni zkonstruovat senzory se složitými tvary, které dokážou odolat širokým teplotním výkyvům, s nimiž by se kosmická loď setkala na nižší oběžné dráze Země.
„Aditivní výroba může znamenat velký rozdíl v budoucnosti vesmírného hardwaru. Někteří lidé si myslí, že když něco vytisknete 3D, musíte připustit menší výkon. Ale ukázali jsme, že tomu tak není vždy. Někdy není co vyměňovat,“ říká Luis Fernando Velásquez-García, hlavní vědec z MIT's Microsystems Technology Laboratories (MTL) a hlavní autor článku představujícího plazmové senzory.
Připojuji se k Velásquez-García papír jsou hlavním autorem a postdokem MTL Javier Izquierdo-Reyes; postgraduální studentka Zoey Bigelow; a postdoc Nicholas K. Lubinsky. Výzkum je publikován v Výroba aditiv.
” size=”(max-width: 777px) 100vw, 777px” alt=”Schéma 3D tištěného plazmového senzoru” width=”777″ height=”501″ aria-describedby=”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 400w,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:// europeatimes.news/wp-content/uploads/2022/08/3d-printed-plasma-sensor-schematic-777×501-jpg.jpg” />
V RPA prochází plazma řadou elektricky nabitých sítí posetých drobnými otvory. Když plazma prochází každou sítí, elektrony a další částice se odstraňují, dokud nezůstanou pouze ionty. Tento obrázek ukazuje, jak síťky zapadají do pouzdra RPA, které vyrovnává oka. Kredit: S laskavým svolením výzkumníků
Všestranné senzory
RPA byla poprvé použita ve vesmírné misi již v roce 1959. Senzory detekují energii v iontech nebo nabitých částicích, které se vznášejí v plazmatu, což je přehřátá směs molekul přítomných v horní atmosféře Země. Na palubě kosmické lodi na oběžné dráze, jako je CubeSat, měří všestranné přístroje energii a provádějí chemické analýzy, které mohou vědcům pomoci předpovídat počasí nebo monitorovat změnu klimatu.
Senzory obsahují řadu elektricky nabitých sítí posetých drobnými otvory. Když plazma prochází otvory, elektrony a další částice se odstraňují, dokud nezůstanou pouze ionty. Tyto ionty vytvářejí elektrický proud, který senzor měří a analyzuje.
Klíčem k úspěchu RPA je struktura pouzdra, která vyrovnává oka. Musí být elektricky izolující a zároveň musí odolat náhlým, drastickým výkyvům teplot. Výzkumníci použili tisknutelný sklokeramický materiál známý jako Vitrolite, který vykazuje tyto vlastnosti.
Vitrolite, propagovaný na počátku 20. století, byl často používán v barevných dlaždicích, které se staly běžným jevem v budovách ve stylu art deco.
Odolný materiál vydrží i teploty až 800 stupňů Celsia (1472 stupňů Fahrenheita) bez rozpadu, zatímco polymery používané v polovodičových RPA se začínají tavit při 400 stupních Celsia (752 stupňů Fahrenheita).
„Když vyrábíte tento senzor v čistém prostoru, nemáte stejnou míru svobody při definování materiálů a struktur a jejich vzájemné interakce. To, co to umožnilo, je nejnovější vývoj v oblasti aditivní výroby,“ říká Velásquez-García.
” size=”(max-width: 777px) 100vw, 777px” alt=”Experiment s analyzátorem retardačního potenciálu Snímač distribuce energie iontů” width=”777″ výška=”518″ aria-describedby=”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 400w,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 -analyzátor-experiment-iontový-distribuční-senzor-energie-777×518-jpg.jpg” />
Tento obrázek ukazuje experiment, ve kterém výzkumníci nastavili svůj RPA, aby jej charakterizovali jako senzor distribuce iontové energie. Kredit: S laskavým svolením výzkumníků
Přehodnocení výroby
Proces 3D tisku keramiky obvykle zahrnuje keramický prášek, který je zasažen laserem, aby se spojil do tvarů. Tento proces však často zanechává materiál hrubý a vytváří slabá místa v důsledku vysokého tepla z laserů.
Místo toho vědci z MIT použili polymeraci kádě, proces zavedený před desítkami let pro aditivní výrobu s polymery nebo pryskyřicemi. Při polymeraci v kádi se vytváří 3D struktura po jedné vrstvě jejím opakovaným ponořováním do kádě s tekutým materiálem, v tomto případě Vitrolite. Ultrafialové světlo se používá k vytvrzení materiálu po přidání každé vrstvy a poté je platforma znovu ponořena do vany. Každá vrstva má tloušťku pouhých 100 mikronů (přibližně průměr lidského vlasu), což umožňuje vytvoření hladkých složitých keramických tvarů bez pórů.
V digitální výrobě mohou být objekty popsané v souboru návrhu velmi složité. Tato přesnost umožnila výzkumníkům vytvořit laserem vyřezávané sítě s jedinečnými tvary, takže otvory byly dokonale zarovnány, když byly umístěny uvnitř pouzdra RPA. To umožňuje průchod více iontů, což vede k měření s vyšším rozlišením.
Protože výroba senzorů byla levná a mohly být vyrobeny tak rychle, vytvořil tým čtyři jedinečné návrhy.
Zatímco jeden design byl zvláště účinný při zachycování a měření široké škály plazmatu, jako jsou ty, s nimiž se satelit setká na oběžné dráze, jiný byl vhodný pro snímání extrémně hustého a studeného plazmatu, které je obvykle měřitelné pouze pomocí ultrapřesných polovodičových zařízení.
Tato vysoká přesnost by mohla umožnit 3D tištěné senzory pro aplikace ve výzkumu fúzní energie nebo nadzvukových letů. Proces rychlého prototypování by mohl dokonce podnítit další inovace v designu satelitů a kosmických lodí, dodává Velásquez-García.
„Pokud chcete inovovat, musíte být schopni selhat a dovolit si riziko. Aditivní výroba je velmi odlišný způsob výroby vesmírného hardwaru. Dokážu vyrobit vesmírný hardware a pokud selže, nevadí, protože mohu vytvořit novou verzi velmi rychle a levně a opravdu iterovat na designu. Je to ideální pískoviště pro výzkumníky,“ říká.
Zatímco Velásquez-García je s těmito senzory spokojen, v budoucnu chce zlepšit výrobní proces. Snížení tloušťky vrstev nebo velikosti pixelů při polymeraci sklokeramické vany by mohlo vytvořit složitý hardware, který je ještě přesnější. Kromě toho by plně aditivní výroba senzorů umožnila jejich kompatibilitu s výrobou ve vesmíru. Chce také prozkoumat využití umělé inteligence k optimalizaci návrhu senzorů pro konkrétní případy použití, jako je výrazné snížení jejich hmotnosti a zároveň zajištění toho, že zůstanou strukturálně zdravé.
Reference: „Kompaktní analyzátory retardačního potenciálu aktivované polymerací sklokeramické vany pro CubeSat a laboratorní diagnostiku plazmatu“ od Javiera Izquierdo-Reyese, Zoey Bigelow, Nicholase K. Lubinského a Luise Fernanda Velásquez-García, 13. července 2022, Výroba aditiv.
DOI: 10.1016/j.addma.2022.103034
Tato práce byla částečně financována MIT, MIT-Tecnológico de Monterrey Nanotechnology Program, MIT Portugal Program a Portugalské nadace pro vědu a technologii.
