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Sonntag September 25, 2022

MIT-Forscher drucken präzise Plasmasensoren für Satelliten in 3D

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MIT-Forscher haben einen 3D-gedruckten Plasmasensor für umlaufende Raumfahrzeuge demonstriert, der genauso gut funktioniert wie viel teurere Halbleitersensoren. Diese langlebigen, präzisen Sensoren könnten effektiv auf kostengünstigen, leichten Satelliten eingesetzt werden, die als CubeSats bekannt sind und üblicherweise für die Umweltüberwachung oder Wettervorhersage verwendet werden. Bildnachweis: Abbildung mit freundlicher Genehmigung der Forscher und bearbeitet von MIT News

Günstig und schnell zu produzieren, diese digital gefertigt Plasma Sensoren könnten Wissenschaftlern helfen, das Wetter vorherzusagen oder den Klimawandel zu untersuchen.

Wissenschaftler an MIT haben die ersten komplett digital gefertigten Plasmasensoren für Satelliten geschaffen. Diese Plasmasensoren, auch als Verzögerungspotentialanalysatoren (RPAs) bekannt, werden von umlaufenden Raumfahrzeugen verwendet, um die chemische Zusammensetzung und die Ionenenergieverteilung der Atmosphäre zu bestimmen.

Die 3D-gedruckte und lasergeschnittene Hardware leistete ebenso gute Dienste wie hochmoderne Halbleiter-Plasmasensoren. Aufgrund des Herstellungsprozesses, der einen Reinraum erfordert, sind Halbleiter-Plasmasensoren teuer und erfordern eine wochenlange komplizierte Herstellung. Im Gegensatz dazu können diese 3D-gedruckten Sensoren innerhalb weniger Tage für mehrere zehn Dollar hergestellt werden.

Aufgrund ihrer geringen Kosten und der schnellen Produktion sind die neuen Sensoren ideal für CubeSats. Diese kostengünstigen, stromsparenden und leichten Satelliten werden häufig für die Kommunikation und Umweltüberwachung in der oberen Erdatmosphäre verwendet.

Das Forscherteam entwickelte RPAs unter Verwendung eines Glaskeramikmaterials, das widerstandsfähiger ist als herkömmliche Sensormaterialien wie Silizium und Dünnfilmbeschichtungen. Durch die Verwendung der Glaskeramik in einem Herstellungsprozess, der für den 3D-Druck mit Kunststoffen entwickelt wurde, konnten sie Sensoren mit komplexen Formen konstruieren, die den großen Temperaturschwankungen standhalten, denen ein Raumschiff in der unteren Erdumlaufbahn ausgesetzt wäre.

„Additive Fertigung kann einen großen Unterschied in der Zukunft der Weltraumhardware machen. Manche Leute denken, dass man beim 3D-Drucken weniger Leistung hinnehmen muss. Aber wir haben gezeigt, dass das nicht immer der Fall ist. Manchmal gibt es keinen Kompromiss“, sagt Luis Fernando Velásquez-García, leitender Wissenschaftler in den Microsystems Technology Laboratories (MTL) des MIT und leitender Autor eines Artikels, in dem die Plasmasensoren vorgestellt werden.

Beitritt zu Velásquez-García das Papier sind Hauptautor und MTL-Postdoc Javier Izquierdo-Reyes; Doktorandin Zoey Bigelow; und Postdoc Nicholas K. Lubinsky. Die Forschung ist veröffentlicht in Additive Fertigung.

Vielseitige Sensoren

Ein RPA wurde bereits 1959 erstmals in einer Weltraummission eingesetzt. Die Sensoren erfassen die Energie in Ionen oder geladenen Teilchen, die im Plasma schweben, einem überhitzten Molekülgemisch in der oberen Erdatmosphäre. An Bord eines umlaufenden Raumfahrzeugs wie einem CubeSat messen die vielseitigen Instrumente Energie und führen chemische Analysen durch, die Wissenschaftlern helfen können, das Wetter vorherzusagen oder den Klimawandel zu überwachen.

Die Sensoren enthalten eine Reihe elektrisch geladener Maschen, die mit winzigen Löchern übersät sind. Wenn das Plasma durch die Löcher strömt, werden Elektronen und andere Teilchen abgestreift, bis nur noch Ionen übrig bleiben. Diese Ionen erzeugen einen elektrischen Strom, den der Sensor misst und analysiert.

Der Schlüssel zum Erfolg eines RPA ist die Gehäusestruktur, die die Maschen ausrichtet. Es muss elektrisch isolierend sein und gleichzeitig plötzlichen, drastischen Temperaturschwankungen standhalten. Die Forscher verwendeten ein bedruckbares Glaskeramikmaterial namens Vitrolite, das diese Eigenschaften aufweist.

Vitrolite wurde im frühen 20. Jahrhundert entwickelt und wurde oft in farbenfrohen Fliesen verwendet, die zu einem alltäglichen Anblick in Art-Deco-Gebäuden wurden.

Das strapazierfähige Material hält auch Temperaturen von bis zu 800 Grad stand Celsius (1472 Grad Fahrenheit), ohne zu zerfallen, während Polymere, die in Halbleiter-RPAs verwendet werden, bei 400 Grad Celsius (752 Grad Fahrenheit) zu schmelzen beginnen.

„Wenn Sie diesen Sensor im Reinraum herstellen, haben Sie nicht den gleichen Freiheitsgrad bei der Definition von Materialien und Strukturen und wie sie zusammenwirken. Möglich wurde dies durch die neuesten Entwicklungen in der additiven Fertigung“, sagt Velásquez-García.

Fertigung neu denken

Beim 3D-Druckverfahren für Keramik wird normalerweise Keramikpulver verwendet, das mit einem Laser getroffen wird, um es zu Formen zu verschmelzen. Dieser Prozess lässt das Material jedoch oft rau zurück und erzeugt Schwachstellen aufgrund der hohen Hitze der Laser.

Stattdessen verwendeten die MIT-Wissenschaftler die Wannenpolymerisation, ein Verfahren, das vor Jahrzehnten für die additive Fertigung mit Polymeren oder Harzen eingeführt wurde. Bei der Wannenpolymerisation wird eine 3D-Struktur Schicht für Schicht aufgebaut, indem sie wiederholt in eine Wanne mit flüssigem Material, in diesem Fall Vitrolite, getaucht wird. Ultraviolettes Licht wird verwendet, um das Material zu härten, nachdem jede Schicht hinzugefügt wurde, und dann wird die Plattform wieder in den Bottich eingetaucht. Jede Schicht ist nur 100 Mikrometer dick (ungefähr der Durchmesser eines menschlichen Haares), was die Herstellung glatter, porenfreier, komplexer Keramikformen ermöglicht.

In der digitalen Fertigung können in einer Designdatei beschriebene Objekte sehr komplex sein. Diese Präzision ermöglichte es den Forschern, lasergeschnittene Maschen mit einzigartigen Formen zu erstellen, sodass die Löcher perfekt ausgerichtet waren, als sie in das RPA-Gehäuse eingesetzt wurden. Dadurch können mehr Ionen passieren, was zu Messungen mit höherer Auflösung führt.

Da die Sensoren billig herzustellen und so schnell hergestellt werden konnten, erstellte das Team Prototypen von vier einzigartigen Designs.

Während ein Design besonders effektiv bei der Erfassung und Messung einer Vielzahl von Plasmen war, wie sie einem Satelliten im Orbit begegnen würden, war ein anderes gut geeignet, um extrem dichte und kalte Plasmen zu erfassen, die normalerweise nur mit ultrapräzisen Halbleitergeräten messbar sind.

Diese hohe Präzision könnte 3D-gedruckte Sensoren für Anwendungen in der Fusionsenergieforschung oder im Überschallflug ermöglichen. Der Rapid-Prototyping-Prozess könnte sogar zu mehr Innovation im Satelliten- und Raumfahrzeugdesign führen, fügt Velásquez-García hinzu.

„Wer innovativ sein will, muss scheitern können und sich das Risiko leisten. Die additive Fertigung ist eine ganz andere Art, Weltraumhardware herzustellen. Ich kann Weltraumhardware herstellen, und wenn sie versagt, spielt es keine Rolle, weil ich sehr schnell und kostengünstig eine neue Version erstellen und das Design wirklich wiederholen kann. Es ist ein idealer Sandkasten für Forscher“, sagt er.

Während Velásquez-García mit diesen Sensoren zufrieden ist, möchte er den Herstellungsprozess in Zukunft verbessern. Durch die Reduzierung der Schichtdicke oder der Pixelgröße bei der Glaskeramik-Wannenpolymerisation könnte eine komplexe Hardware entstehen, die noch präziser ist. Darüber hinaus würde eine vollständig additive Fertigung der Sensoren sie mit der Fertigung im Weltraum kompatibel machen. Er möchte auch den Einsatz künstlicher Intelligenz untersuchen, um das Sensordesign für bestimmte Anwendungsfälle zu optimieren, z. B. um ihre Masse stark zu reduzieren und gleichzeitig sicherzustellen, dass sie strukturell solide bleiben.

Referenz: „Compact Retarding Potential Analyzers Enabled by Glass-Ceramic Vat Polymerization for CubeSat and Laboratory Plasma Diagnostics“ von Javier Izquierdo-Reyes, Zoey Bigelow, Nicholas K. Lubinsky und Luis Fernando Velásquez-García, 13. Juli 2022, Additive Fertigung.
DOI: 10.1016/j.addma.2022.103034

Diese Arbeit wurde teilweise vom MIT, dem MIT-Tecnológico de Monterrey Nanotechnology Program, dem MIT Portugal Program und der portugiesischen Stiftung für Wissenschaft und Technologie finanziert.

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