Des chercheurs du MIT ont présenté un capteur à plasma imprimé en 3D pour les engins spatiaux en orbite qui fonctionne aussi bien que des capteurs à semi-conducteurs beaucoup plus chers. Ces capteurs durables et précis pourraient être utilisés efficacement sur des satellites légers et peu coûteux connus sous le nom de CubeSats, qui sont couramment utilisés pour la surveillance de l'environnement ou la prévision météorologique. Crédit : Figure reproduite avec l'aimable autorisation des chercheurs et éditée par MIT News
Bon marché et rapides à produire, ces produits fabriqués numériquement plasma des capteurs pourraient aider les scientifiques à prédire le temps ou à étudier le changement climatique.
Les scientifiques à MIT ont créé les premiers capteurs à plasma entièrement fabriqués numériquement pour les satellites. Ces capteurs à plasma, également connus sous le nom d'analyseurs de potentiel retardateurs (RPA), sont utilisés par les engins spatiaux en orbite pour déterminer la composition chimique et la distribution de l'énergie ionique de l'atmosphère.
Le matériel imprimé en 3D et découpé au laser a fonctionné ainsi que des capteurs plasma semi-conducteurs de pointe. En raison du processus de fabrication, qui nécessite une salle blanche, les capteurs plasma à semi-conducteurs sont coûteux et nécessitent des semaines de fabrication complexe. En revanche, ces capteurs imprimés en 3D peuvent être produits pour des dizaines de dollars en quelques jours.
En raison de leur faible coût et de leur production rapide, les nouveaux capteurs sont idéaux pour les CubeSats. Ces satellites peu coûteux, de faible puissance et légers sont souvent utilisés pour la communication et la surveillance de l'environnement dans la haute atmosphère terrestre.
L'équipe de chercheurs a développé des RPA en utilisant un matériau vitrocéramique plus résistant que les matériaux de capteur traditionnels tels que le silicium et les revêtements à couche mince. En utilisant la vitrocéramique dans un processus de fabrication développé pour l'impression 3D avec des plastiques, ils ont pu construire des capteurs aux formes complexes capables de résister aux fortes variations de température qu'un vaisseau spatial rencontrerait en orbite terrestre inférieure.
« La fabrication additive peut faire une grande différence dans l'avenir du matériel spatial. Certaines personnes pensent que lorsque vous imprimez quelque chose en 3D, vous devez concéder moins de performances. Mais nous avons montré que ce n'est pas toujours le cas. Parfois, il n'y a rien à échanger », explique Luis Fernando Velásquez-García, scientifique principal des Microsystems Technology Laboratories (MTL) du MIT et auteur principal d'un article présentant les capteurs à plasma.
Rejoindre Velásquez-García le le papier sont l'auteur principal et postdoc MTL Javier Izquierdo-Reyes; l'étudiante diplômée Zoey Bigelow; et le postdoc Nicholas K. Lubinsky. La recherche est publiée dans Fabrication Additive.
" tailles = " (largeur maximale: 777px) 100vw, 777px " alt = " Schéma du capteur de plasma imprimé en 3D " width = " 777 " height = " 501 " aria-depressedby = " 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:// europeantimes.news/wp-content/uploads/2022/08/3d-printed-plasma-sensor-schematic-777×501-jpg.jpg » />
Dans un RPA, le plasma passe à travers une série de mailles chargées électriquement parsemées de minuscules trous. Lorsque le plasma traverse chaque maille, les électrons et autres particules sont éliminés jusqu'à ce qu'il ne reste plus que des ions. Cette figure montre comment les mailles s'adaptent à l'intérieur du boîtier RPA, qui aligne les mailles. Crédit : Avec l'aimable autorisation des chercheurs
Capteurs polyvalents
Un RPA a été utilisé pour la première fois dans une mission spatiale en 1959. Les capteurs détectent l'énergie des ions, ou particules chargées, qui flottent dans le plasma, qui est un mélange surchauffé de molécules présentes dans la haute atmosphère terrestre. À bord d'un vaisseau spatial en orbite comme un CubeSat, les instruments polyvalents mesurent l'énergie et effectuent des analyses chimiques qui peuvent aider les scientifiques à prévoir le temps ou à surveiller le changement climatique.
Les capteurs contiennent une série de mailles chargées électriquement parsemées de minuscules trous. Lorsque le plasma passe à travers les trous, les électrons et autres particules sont éliminés jusqu'à ce qu'il ne reste plus que des ions. Ces ions créent un courant électrique que le capteur mesure et analyse.
La clé du succès d'un RPA est la structure du logement qui aligne les mailles. Il doit être électriquement isolant tout en étant capable de résister à des variations de température soudaines et drastiques. Les chercheurs ont utilisé un matériau vitrocéramique imprimable connu sous le nom de Vitrolite qui présente ces propriétés.
Lancé au début du XXe siècle, Vitrolite était souvent utilisé dans les carreaux colorés qui sont devenus un spectacle courant dans les bâtiments art déco.
Le matériau durable peut également résister à des températures aussi élevées que 800 degrés Celsius (1472 degrés Fahrenheit) sans se décomposer, alors que les polymères utilisés dans les RPA semi-conducteurs commencent à fondre à 400 degrés Celsius (752 degrés Fahrenheit).
« Lorsque vous fabriquez ce capteur dans la salle blanche, vous n'avez pas le même degré de liberté pour définir les matériaux et les structures et la façon dont ils interagissent ensemble. Ce qui a rendu cela possible, ce sont les derniers développements de la fabrication additive », déclare Velásquez-García.
" tailles = " (largeur maximale: 777px) 100vw, 777px " alt = "Expérience d'analyseur de potentiel de retard Capteur de distribution d'énergie ionique" width = "777" height = "518" aria-depressedby = "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 -analyseur-experiment-ion-energy-distribution-sensor-777×518-jpg.jpg” />
Cette figure montre une expérience dans laquelle les chercheurs ont configuré leur RPA pour le caractériser comme un capteur de distribution d'énergie ionique. Crédit : Avec l'aimable autorisation des chercheurs
Repenser la fabrication
Le processus d'impression 3D pour la céramique implique généralement une poudre de céramique qui est frappée avec un laser pour la fusionner en formes. Cependant, ce processus laisse souvent le matériau grossier et crée des points faibles en raison de la chaleur élevée des lasers.
Au lieu de cela, les scientifiques du MIT ont utilisé la polymérisation en cuve, un processus introduit il y a des décennies pour la fabrication additive avec des polymères ou des résines. Avec la polymérisation en cuve, une structure 3D est construite une couche à la fois en la submergeant à plusieurs reprises dans une cuve de matériau liquide, dans ce cas, Vitrolite. La lumière ultraviolette est utilisée pour durcir le matériau après l'ajout de chaque couche, puis la plate-forme est à nouveau immergée dans la cuve. Chaque couche n'a que 100 microns d'épaisseur (environ le diamètre d'un cheveu humain), permettant la création de formes céramiques lisses, sans pores et complexes.
Dans la fabrication numérique, les objets décrits dans un fichier de conception peuvent être très complexes. Cette précision a permis aux chercheurs de créer des maillages découpés au laser avec des formes uniques afin que les trous s'alignent parfaitement lorsqu'ils ont été placés à l'intérieur du boîtier RPA. Cela permet à plus d'ions de passer à travers, ce qui conduit à des mesures à plus haute résolution.
Parce que les capteurs étaient bon marché à produire et pouvaient être fabriqués si rapidement, l'équipe a prototypé quatre conceptions uniques.
Alors qu'une conception était particulièrement efficace pour capturer et mesurer une large gamme de plasmas, comme ceux qu'un satellite rencontrerait en orbite, une autre était bien adaptée pour détecter des plasmas extrêmement denses et froids, qui ne sont généralement mesurables qu'à l'aide de dispositifs semi-conducteurs ultraprécis.
Cette haute précision pourrait permettre l'impression de capteurs en 3D pour des applications dans la recherche sur l'énergie de fusion ou le vol supersonique. Le processus de prototypage rapide pourrait même stimuler davantage l'innovation dans la conception de satellites et d'engins spatiaux, ajoute Velásquez-García.
« Si vous voulez innover, vous devez être capable d'échouer et de prendre le risque. La fabrication additive est une manière très différente de fabriquer du matériel spatial. Je peux créer du matériel spatial et s'il échoue, cela n'a pas d'importance car je peux créer une nouvelle version très rapidement et à peu de frais, et vraiment itérer sur la conception. C'est un bac à sable idéal pour les chercheurs », dit-il.
Bien que Velásquez-García soit satisfait de ces capteurs, il souhaite améliorer le processus de fabrication à l'avenir. La réduction de l'épaisseur des couches ou de la taille des pixels dans la polymérisation en cuve vitrocéramique pourrait créer un matériel complexe encore plus précis. De plus, la fabrication entièrement additive des capteurs les rendrait compatibles avec la fabrication dans l'espace. Il souhaite également explorer l'utilisation de l'intelligence artificielle pour optimiser la conception des capteurs pour des cas d'utilisation spécifiques, comme réduire considérablement leur masse tout en s'assurant qu'ils restent structurellement sains.
Référence : "Compact Retarding Potential Analyzers Enabled by Glass-Ceramic Vat Polymerization for CubeSat and Laboratory Plasma Diagnostics" par Javier Izquierdo-Reyes, Zoey Bigelow, Nicholas K. Lubinsky et Luis Fernando Velásquez-García, 13 juillet 2022, Fabrication Additive.
DOI : 10.1016/j.addma.2022.103034
Ce travail a été financé, en partie, par le MIT, le programme de nanotechnologie MIT-Tecnológico de Monterrey, le programme MIT Portugal et la Fondation portugaise pour la science et la technologie.
