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Domingo, septiembre 25, 2022

Investigadores del MIT imprimen en 3D sensores de plasma precisos para satélites

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Investigadores del MIT han demostrado un sensor de plasma impreso en 3D para naves espaciales en órbita que funciona tan bien como sensores semiconductores mucho más caros. Estos sensores duraderos y precisos podrían usarse de manera efectiva en satélites livianos y económicos conocidos como CubeSats, que se utilizan comúnmente para el monitoreo ambiental o la predicción del clima. Crédito: Figura cortesía de los investigadores y editada por MIT News

Baratos y rápidos de producir, estos fabricados digitalmente plasma Los sensores podrían ayudar a los científicos a predecir el clima o estudiar el cambio climático.

Los científicos en MIT han creado los primeros sensores de plasma para satélites fabricados completamente digitalmente. Estos sensores de plasma, también conocidos como analizadores de potencial de retardo (RPA), son utilizados por naves espaciales en órbita para determinar la composición química y la distribución de energía iónica de la atmósfera.

El hardware impreso en 3D y cortado con láser funcionó tan bien como los sensores de plasma semiconductores de última generación. Debido al proceso de fabricación, que requiere una sala limpia, los sensores de plasma semiconductores son caros y requieren semanas de fabricación compleja. Por el contrario, estos sensores impresos en 3D se pueden producir por decenas de dólares en cuestión de días.

Debido a su bajo costo y rápida producción, los nuevos sensores son ideales para CubeSats. Estos satélites económicos, de bajo consumo y livianos se utilizan a menudo para la comunicación y el monitoreo ambiental en la atmósfera superior de la Tierra.

El equipo de investigadores desarrolló RPA utilizando un material de vitrocerámica que es más resistente que los materiales de sensores tradicionales como el silicio y los revestimientos de película delgada. Mediante el uso de la vitrocerámica en un proceso de fabricación que se desarrolló para la impresión 3D con plásticos, pudieron construir sensores con formas complejas que pueden soportar los amplios cambios de temperatura que encontraría una nave espacial en la órbita terrestre inferior.

“La fabricación aditiva puede marcar una gran diferencia en el futuro del hardware espacial. Algunas personas piensan que cuando imprimes algo en 3D, tienes que conceder menos rendimiento. Pero hemos demostrado que no siempre es así. A veces no hay nada que negociar”, dice Luis Fernando Velásquez-García, científico principal de Microsystems Technology Laboratories (MTL) del MIT y autor principal de un artículo que presenta los sensores de plasma.

Unirse a Velásquez-García en el papel son el autor principal y postdoctorado de MTL Javier Izquierdo-Reyes; la estudiante de posgrado Zoey Bigelow; y el posdoctorado Nicholas K. Lubinsky. La investigación se publica en Fabricación aditiva.

Sensores versátiles

Un RPA se utilizó por primera vez en una misión espacial allá por 1959. Los sensores detectan la energía en iones, o partículas cargadas, que flotan en el plasma, que es una mezcla sobrecalentada de moléculas presentes en la atmósfera superior de la Tierra. A bordo de una nave espacial en órbita como un CubeSat, los instrumentos versátiles miden la energía y realizan análisis químicos que pueden ayudar a los científicos a predecir el clima o monitorear el cambio climático.

Los sensores contienen una serie de mallas cargadas eléctricamente salpicadas de pequeños agujeros. A medida que el plasma pasa a través de los agujeros, los electrones y otras partículas se eliminan hasta que solo quedan iones. Estos iones crean una corriente eléctrica que el sensor mide y analiza.

La clave del éxito de un RPA es la estructura de la carcasa que alinea las mallas. Debe ser eléctricamente aislante y, al mismo tiempo, capaz de soportar cambios repentinos y drásticos de temperatura. Los investigadores utilizaron un material de vitrocerámica imprimible conocido como Vitrolita que exhibe estas propiedades.

Iniciado a principios del siglo XX, Vitrolite se usaba a menudo en mosaicos coloridos que se convirtieron en una vista común en los edificios art deco.

El material duradero también puede soportar temperaturas de hasta 800 grados. Celsius (1472 grados Fahrenheit) sin descomponerse, mientras que los polímeros utilizados en los RPA de semiconductores comienzan a fundirse a los 400 grados Celsius (752 grados Fahrenheit).

“Cuando fabrica este sensor en la sala limpia, no tiene el mismo grado de libertad para definir materiales y estructuras y cómo interactúan entre sí. Lo que hizo esto posible son los últimos desarrollos en fabricación aditiva”, dice Velásquez-García.

Repensar la fabricación

El proceso de impresión 3D para cerámica generalmente involucra polvo de cerámica que se golpea con un láser para fusionarlo en formas. Sin embargo, este proceso a menudo deja el material grueso y crea puntos débiles debido al alto calor de los láseres.

En cambio, los científicos del MIT utilizaron la polimerización en tina, un proceso introducido hace décadas para la fabricación aditiva con polímeros o resinas. Con la polimerización en tina, se construye una estructura 3D una capa a la vez sumergiéndola repetidamente en una tina de material líquido, en este caso, Vitrolite. Se usa luz ultravioleta para curar el material después de agregar cada capa, y luego la plataforma se sumerge nuevamente en la tina. Cada capa tiene solo 100 micrones de espesor (aproximadamente el diámetro de un cabello humano), lo que permite la creación de formas cerámicas complejas, suaves y sin poros.

En la fabricación digital, los objetos descritos en un archivo de diseño pueden ser muy complejos. Esta precisión permitió a los investigadores crear mallas cortadas con láser con formas únicas para que los agujeros se alinearan perfectamente cuando se colocaron dentro de la carcasa del RPA. Esto permite que pasen más iones, lo que conduce a mediciones de mayor resolución.

Debido a que los sensores eran baratos de producir y podían fabricarse tan rápido, el equipo prototipó cuatro diseños únicos.

Si bien un diseño fue especialmente efectivo para capturar y medir una amplia gama de plasmas, como los que encontraría un satélite en órbita, otro fue muy adecuado para detectar plasmas extremadamente densos y fríos, que generalmente solo se pueden medir con dispositivos semiconductores ultraprecisos.

Esta alta precisión podría habilitar sensores impresos en 3D para aplicaciones en investigación de energía de fusión o vuelo supersónico. El rápido proceso de creación de prototipos podría incluso estimular una mayor innovación en el diseño de satélites y naves espaciales, agrega Velásquez-García.

“Si desea innovar, debe poder fallar y permitirse el riesgo. La fabricación aditiva es una forma muy diferente de hacer hardware espacial. Puedo hacer hardware espacial y si falla, no importa porque puedo hacer una nueva versión de forma muy rápida y económica, y realmente repetir el diseño. Es una caja de arena ideal para los investigadores”, dice.

Si bien Velásquez-García está satisfecho con estos sensores, quiere mejorar el proceso de fabricación en el futuro. Reducir el grosor de las capas o el tamaño de los píxeles en la polimerización en cuba de vitrocerámica podría crear un hardware complejo que es incluso más preciso. Además, la fabricación totalmente aditiva de los sensores los haría compatibles con la fabricación en el espacio. También quiere explorar el uso de inteligencia artificial para optimizar el diseño de sensores para casos de uso específicos, como reducir en gran medida su masa y garantizar que permanezcan estructuralmente sólidos.

Referencia: “Analizadores de potencial de retardo compacto habilitados por polimerización de tina de vitrocerámica para diagnósticos de plasma de laboratorio y CubeSat” por Javier Izquierdo-Reyes, Zoey Bigelow, Nicholas K. Lubinsky y Luis Fernando Velásquez-García, 13 de julio de 2022, Fabricación aditiva.
DOI: 10.1016/j.addma.2022.103034

Este trabajo fue financiado, en parte, por el MIT, el Programa de Nanotecnología del MIT-Tecnológico de Monterrey, el Programa MIT Portugal y la Fundación Portuguesa para la Ciencia y la Tecnología.

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