Az MIT kutatói bemutattak egy 3D-nyomtatott plazmaszenzort a keringő űrhajók számára, amely ugyanolyan jól működik, mint a sokkal drágább, félvezető érzékelők. Ezek a tartós, precíz érzékelők hatékonyan használhatók olcsó, könnyű, CubeSat néven ismert műholdakon, amelyeket általában környezetfigyelésre vagy időjárás-előrejelzésre használnak. Köszönet: Az ábra a kutatók jóvoltából és az MIT News szerkesztésében
Olcsó és gyorsan előállítható, digitálisan gyártják vérplazma Az érzékelők segíthetnek a tudósoknak az időjárás előrejelzésében vagy a klímaváltozás tanulmányozásában.
A tudósok a MIT megalkották az első teljesen digitálisan gyártott plazmaszenzorokat műholdakhoz. Ezeket a plazmaszenzorokat, más néven retardáló potenciál analizátorokat (RPA), keringő űrhajók használják a légkör kémiai összetételének és ionenergia-eloszlásának meghatározására.
A 3D-nyomtatott és lézerrel vágott hardver éppúgy teljesített, mint a legmodernebb félvezető plazmaszenzorok. A tiszta helyiséget igénylő gyártási folyamat miatt a félvezető plazmaszenzorok drágák, és hetekig tartó bonyolult gyártást igényelnek. Ezzel szemben ezeket a 3D-nyomtatott érzékelőket néhány nap alatt több tíz dollárért elő lehet állítani.
Alacsony költségük és gyors gyártásuk miatt az új érzékelők ideálisak a CubeSatokhoz. Ezeket az olcsó, alacsony fogyasztású és könnyű műholdakat gyakran használják kommunikációra és környezeti megfigyelésre a Föld felső légkörében.
A kutatócsoport olyan üvegkerámia anyag felhasználásával fejlesztette ki az RPA-kat, amelyek rugalmasabbak, mint a hagyományos érzékelőanyagok, például a szilícium és a vékonyréteg-bevonatok. Az üvegkerámiát egy műanyag 3D-nyomtatásra kifejlesztett gyártási eljárásban felhasználva összetett formájú szenzorokat tudtak építeni, amelyek ellenállnak a széles hőmérsékleti ingadozásoknak, amelyekkel egy űrhajó az alsó földi pályán találkozhat.
„Az additív gyártás nagy változást hozhat az űrhardverek jövőjében. Vannak, akik úgy gondolják, hogy ha valamit 3D-nyomtat, akkor kevesebb teljesítményt kell engednie. De megmutattuk, hogy ez nem mindig van így. Néha nincs mit kicserélni” – mondja Luis Fernando Velásquez-García, az MIT Microsystems Technology Laboratories (MTL) vezető tudósa és a plazmaszenzorokat bemutató tanulmány vezető szerzője.
Csatlakozom Velásquez-Garcíához a papír a vezető szerző és az MTL posztdoktori Javier Izquierdo-Reyes; végzős hallgató Zoey Bigelow; és Nicholas K. Lubinsky posztdoktori. A kutatás ben jelent meg Adalékanyagok gyártása.
” sizes=”(max-width: 777px) 100vw, 777px” alt=”3D Printed Plasma Sensor Schematic” width=”777″ height=”501″ aria-describedby=”caption-attachment-190588″set=-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” />
Az RPA-ban a plazma elektromosan töltött, apró lyukakkal tarkított hálón halad át. Ahogy a plazma áthalad az egyes hálókon, az elektronok és más részecskék lecsupaszodnak, amíg csak ionok maradnak. Ez az ábra azt mutatja, hogy a hálók hogyan illeszkednek az RPA-ház belsejébe, amely összehangolja a hálókat. Köszönet: A kutatók jóvoltából
Sokoldalú érzékelők
Az RPA-t először 1959-ben alkalmazták egy űrmisszióban. Az érzékelők a plazmában lebegő ionokban vagy töltött részecskékben lévő energiát érzékelik, amely a Föld felső légkörében található molekulák túlhevített keveréke. A CubeSathoz hasonló, keringő űrszondák fedélzetén a sokoldalú műszerek energiát mérnek és kémiai elemzéseket végeznek, amelyek segíthetnek a tudósoknak az időjárás előrejelzésében vagy a klímaváltozás nyomon követésében.
Az érzékelők elektromosan feltöltött hálók sorozatát tartalmazzák, apró lyukakkal tarkítva. Ahogy a plazma áthalad a lyukakon, az elektronok és más részecskék lecsupaszodnak, amíg csak ionok maradnak. Ezek az ionok elektromos áramot hoznak létre, amelyet az érzékelő mér és elemzi.
Az RPA sikerének kulcsa a házszerkezet, amely összehangolja a hálókat. Elektromosan szigetelőnek kell lennie, ugyanakkor ellenállnia kell a hirtelen, drasztikus hőmérséklet-ingadozásoknak. A kutatók Vitrolite néven ismert, nyomtatható, üvegkerámia anyagot használtak, amely ezeket a tulajdonságokat mutatja.
A 20. század elején úttörő Vitrolitot gyakran használták színes csempékben, amelyek az art deco épületek általános látványává váltak.
A tartós anyag akár 800 fokos hőmérsékletet is kibír Celsius (1472 fok Fahrenheit) lebomlás nélkül, míg a félvezető RPA-kban használt polimerek 400 Celsius-fokon (752 Fahrenheit-fok) kezdenek olvadni.
„Amikor ezt az érzékelőt a tisztatérben készíti el, nem rendelkezik ugyanolyan fokú szabadsággal az anyagok és szerkezetek meghatározásában, valamint azok egymásra hatásában. Ezt az additív gyártás legújabb fejlesztései tették lehetővé” – mondja Velásquez-García.
” sizes=”(max-width: 777px) 100vw, 777px” alt=”Retarding Potential Analyzer Experiment Ion Energy Distribution Sensor” width=”777” height=”518” aria-desscribedby=”caption-attachment-190587 data2022-08” ezsrcset=”https://europeantimes.news/wp-content/uploads/777/518/retarding-potential-analyzer-experiment-ion-energy-distribution-sensor-777×400-jpg.jpg 267w,https:// scitechdaily.com/images/Retarding-Potential-Analyzer-Experiment-Ion-Energy-Distribution-Sensor-400×768.jpg 512w,https://scitechdaily.com/images/Retarding-Potential-Analyzer-Experiment-Ion-Energy -Distribution-Sensor-768×1536.jpg 1024w,https://scitechdaily.com/images/Retarding-Potential-Analyzer-Experiment-Ion-Energy-Distribution-Sensor-1536×1902.jpg 2022w,https://scitechdaily .com/images/Retarding-Potential-Analyzer-Experiment-Ion-Energy-Distribution-Sensor.jpg 08w” data-ezsrc=”https://europeantimes.news/wp-content/uploads/777/518/retarding-potential -analyzer-experiment-ion-energy-distribution-sensor-XNUMX×XNUMX-jpg.jpg” />
Ez az ábra egy kísérletet mutat be, amelyben a kutatók úgy alakították ki az RPA-t, hogy ionenergia-eloszlás-érzékelőként jellemezzék. Köszönet: A kutatók jóvoltából
A koholmány újragondolása
A kerámiák 3D nyomtatási folyamata általában kerámiaport tartalmaz, amelyet lézerrel ütnek meg, hogy formákká olvasztják. Ez a folyamat azonban gyakran durvává teszi az anyagot, és gyenge pontokat hoz létre a lézerek magas hője miatt.
Ehelyett az MIT tudósai kádas polimerizációt alkalmaztak, egy olyan eljárást, amelyet évtizedekkel ezelőtt vezettek be polimerekkel vagy gyantákkal történő additív gyártáshoz. A kádas polimerizációval egy 3D-s szerkezetet rétegenként építenek fel úgy, hogy azt ismételten folyékony anyagú kádba, jelen esetben Vitrolite-ba merítik. Ultraibolya fényt használnak az anyag kikeményítésére minden egyes réteg hozzáadása után, majd a platformot ismét alámerítik a kádba. Mindegyik réteg mindössze 100 mikron vastag (nagyjából egy emberi haj átmérőjű), ami lehetővé teszi sima, pórusmentes, összetett kerámia formák létrehozását.
A digitális gyártás során a tervfájlban leírt objektumok nagyon bonyolultak lehetnek. Ez a precizitás lehetővé tette a kutatóknak, hogy lézerrel vágott, egyedi formájú hálókat hozzanak létre, így a lyukak tökéletesen egy vonalba kerültek, amikor az RPA házba helyezték őket. Ez lehetővé teszi több ion áthaladását, ami nagyobb felbontású mérésekhez vezet.
Mivel az érzékelők előállítása olcsó volt, és olyan gyorsan legyártható volt, a csapat négy egyedi tervezési prototípust készített.
Míg az egyik kialakítás különösen hatékony volt a plazmák széles körének rögzítésére és mérésére, mint amilyenekkel a műholdak is találkozhatnak a pályán, a másik nagyon sűrű és hideg plazmák érzékelésére alkalmas volt, amelyek jellemzően csak ultraprecíz félvezető eszközökkel mérhetők.
Ez a nagy pontosság lehetővé teszi a 3D-nyomtatott érzékelők alkalmazását a fúziós energia kutatásában vagy a szuperszonikus repülésben. A gyors prototípuskészítési folyamat akár több innovációt is ösztönözhet a műholdak és űrhajók tervezésében, teszi hozzá Velásquez-García.
„Ha újítani akarsz, képesnek kell lennie arra, hogy kudarcot valljon, és vállalnia kell a kockázatot. Az additív gyártás egészen más módja az űrhardver készítésének. Tudok űrhardvert készíteni, és ha meghibásodik, akkor nem számít, mert nagyon gyorsan és olcsón tudok új verziót készíteni, és nagyon iterálom a tervezést. Ideális homokozó a kutatók számára” – mondja.
Bár Velásquez-García elégedett ezekkel az érzékelőkkel, a jövőben szeretné javítani a gyártási folyamatot. A rétegvastagság vagy a pixelméret csökkentése az üvegkerámia kádpolimerizáció során összetett hardvereket hozhat létre, amelyek még pontosabbak. Ezenkívül az érzékelők teljes additív gyártása kompatibilissé tenné őket az űrben történő gyártással. Azt is szeretné feltárni a mesterséges intelligencia felhasználását, hogy optimalizálja az érzékelők tervezését bizonyos felhasználási esetekre, például nagymértékben csökkenti tömegüket, miközben biztosítja, hogy szerkezetileg szilárd maradjanak.
Hivatkozás: „Üvegkerámia kádpolimerizációval lehetővé tett kompakt késleltető potenciálelemzők CubeSat-hoz és laboratóriumi plazmadiagnosztikához”, Javier Izquierdo-Reyes, Zoey Bigelow, Nicholas K. Lubinsky és Luis Fernando Velásquez-García, 13 július2022 Adalékanyagok gyártása.
DOI: 10.1016/j.addma.2022.103034
Ezt a munkát részben az MIT, a MIT-Tecnológico de Monterrey Nanotechnológiai Program, az MIT Portugália Program és a Portugál Tudományos és Technológiai Alapítvány finanszírozta.
