Дослідники Массачусетського технологічного інституту продемонстрували надрукований на 3D-принтері плазмовий датчик для орбітальних космічних кораблів, який працює так само добре, як і набагато дорожчі напівпровідникові датчики. Ці міцні, точні датчики можна ефективно використовувати на недорогих, легких супутниках, відомих як CubeSats, які зазвичай використовуються для моніторингу навколишнього середовища або прогнозування погоди. Авторство: малюнок люб'язно наданий дослідниками та відредагований MIT News
Дешеві та швидкі у виготовленні, вони виготовлені цифровим способом плазма датчики можуть допомогти вченим передбачити погоду або вивчити зміну клімату.
Вчені в MIT створили перші повністю цифрові плазмові датчики для супутників. Ці датчики плазми, також відомі як аналізатори потенціалу сповільнення (RPA), використовуються орбітальними космічними кораблями для визначення хімічного складу та розподілу енергії іонів в атмосфері.
Обладнання, надруковане на 3D-принтері та лазерне вирізання, а також найсучасніші напівпровідникові плазмові датчики. Через виробничий процес, який вимагає чистих приміщень, напівпровідникові плазмові датчики є дорогими та потребують тижнів складного виготовлення. Навпаки, ці 3D-друковані датчики можна виготовити за десятки доларів за лічені дні.
Завдяки низькій вартості та швидкому виробництву нові датчики ідеально підходять для CubeSats. Ці недорогі, малопотужні та легкі супутники часто використовуються для зв’язку та моніторингу навколишнього середовища у верхніх шарах атмосфери Землі.
Команда дослідників розробила RPA, використовуючи склокерамічний матеріал, який є більш стійким, ніж традиційні сенсорні матеріали, такі як кремній і тонкоплівкові покриття. Використовуючи склокераміку в процесі виготовлення, який був розроблений для 3D-друку з пластиком, вони змогли побудувати датчики складної форми, які можуть витримувати значні коливання температури, з якими космічний корабель зіткнеться на нижній орбіті Землі.
«Адитивне виробництво може значно змінити майбутнє космічного обладнання. Деякі люди думають, що коли ви друкуєте щось на 3D, ви повинні визнати меншу продуктивність. Але ми показали, що це не завжди так. Іноді немає чого міняти», — каже Луїс Фернандо Веласкес-Гарсія, головний науковий співробітник Технологічних лабораторій мікросистем Массачусетського технологічного інституту (MTL) і старший автор статті, в якій представлені плазмові датчики.
Приєднавшись до Веласкеса-Гарсіа папір є провідним автором і постдоктором MTL Хав’єром Іск’єрдо-Рейєсом; аспірант Зої Бігелоу; та постдоктор Ніколас К. Любінський. Дослідження опубліковано в Виробництво добавок.
” sizes=”(max-width: 777px) 100vw, 777px” alt=”3D-друкована схема плазмового датчика” 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 400 Вт, https://scitechdaily.com/images/3D-Printed-Plasma-Sensor-Schematic-768×496.jpg 768 Вт, 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” />
У RPA плазма проходить через серію електрично заряджених сіток, усіяних крихітними отворами. Коли плазма проходить через кожну сітку, електрони та інші частинки видаляються, доки не залишаються лише іони. На цьому малюнку показано, як сітки вписуються в корпус RPA, який вирівнює сітки. Авторство: надано дослідниками
Універсальні датчики
RPA вперше був використаний у космічній місії ще в 1959 році. Датчики виявляють енергію в іонах або заряджених частинках, які плавають у плазмі, яка є перегрітою сумішшю молекул, присутніх у верхніх шарах атмосфери Землі. На борту орбітального космічного корабля, такого як CubeSat, універсальні інструменти вимірюють енергію та проводять хімічний аналіз, який може допомогти вченим передбачити погоду або відстежувати зміни клімату.
Датчики містять серію електрично заряджених сіток, усіяних крихітними отворами. Коли плазма проходить крізь отвори, електрони та інші частинки видаляються, доки не залишаються лише іони. Ці іони створюють електричний струм, який датчик вимірює та аналізує.
Ключем до успіху RPA є структура корпусу, яка вирівнює сітки. Він повинен бути електроізоляційним, а також здатним витримувати раптові, різкі коливання температури. Дослідники використовували придатний для друку склокерамічний матеріал, відомий як Vitrolite, який демонструє ці властивості.
Започаткований на початку 20-го століття, Vitrolite часто використовувався в кольоровій плитці, яка стала звичайним явищем у будівлях у стилі ар-деко.
Міцний матеріал також може витримувати температуру до 800 градусів Цельсія (1472 градусів Фаренгейт), не руйнуючись, тоді як полімери, які використовуються в напівпровідникових RPA, починають плавитися при 400 градусах Цельсія (752 градусах за Фаренгейтом).
«Коли ви робите цей датчик у чистій кімнаті, ви не маєте такого ж ступеня свободи визначати матеріали та структури та те, як вони взаємодіють між собою. Це стало можливим завдяки останнім розробкам у адитивному виробництві», — говорить Веласкес-Гарсія.
” sizes=”(max-width: 777px) 100vw, 777px” alt=”Retarding Potential Analyzer Experiment Ion Energy Distribution Sensor” width=”777″ height=”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 400 Вт,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 -analyzer-experiment-ion-energy-distribution-sensor-777×518-jpg.jpg” />
На цьому малюнку показано експеримент, у якому дослідники налаштували свій RPA, щоб охарактеризувати його як датчик розподілу енергії іонів. Авторство: надано дослідниками
Переосмислення виготовлення
Процес 3D-друку для кераміки зазвичай включає керамічний порошок, який потрапляє за допомогою лазера, щоб сплавити його у форму. Однак цей процес часто робить матеріал грубим і створює слабкі місця через високу температуру від лазерів.
Замість цього вчені Массачусетського технологічного інституту використали кубову полімеризацію, процес, запроваджений десятиліття тому для адитивного виробництва з полімерів або смол. За допомогою кубової полімеризації 3D-структура створюється по одному шару шляхом багаторазового занурення її в чан з рідким матеріалом, у даному випадку Вітроліт. Ультрафіолетове світло використовується для затвердіння матеріалу після додавання кожного шару, а потім платформа знову занурюється в чан. Кожен шар має товщину лише 100 мікрон (приблизно діаметр людської волосини), що дозволяє створювати гладкі, без пор, складні керамічні форми.
У цифровому виробництві об’єкти, описані у файлі дизайну, можуть бути дуже складними. Ця точність дозволила дослідникам створити вирізані лазером сітки з унікальними формами, щоб отвори ідеально вирівнювалися, коли їх встановлювали в корпус RPA. Це дозволяє проходити більшій кількості іонів, що призводить до вимірювань з вищою роздільною здатністю.
Оскільки датчики були дешевими у виробництві та їх можна було виготовити дуже швидко, команда створила прототипи чотирьох унікальних конструкцій.
У той час як одна конструкція була особливо ефективною для захоплення та вимірювання широкого діапазону плазми, подібної до тієї, з якою супутник зустрінеться на орбіті, інша була добре підходящою для визначення надзвичайно щільної та холодної плазми, яку зазвичай можна виміряти лише за допомогою надточних напівпровідникових приладів.
Ця висока точність може дозволити 3D-друковані датчики для застосування в дослідженнях термоядерної енергії або надзвукових польотів. Веласкес-Гарсія додає, що швидкий процес створення прототипів може навіть стимулювати нові інновації в дизайні супутників і космічних кораблів.
«Якщо ви хочете впроваджувати інновації, вам потрібно вміти зазнавати невдач і дозволяти собі ризик. Адитивне виробництво — це зовсім інший спосіб виробництва космічної техніки. Я можу створити космічне обладнання, і якщо воно зазнає невдачі, це не має значення, тому що я можу зробити нову версію дуже швидко та недорого, і справді повторити дизайн. Це ідеальна пісочниця для дослідників», — каже він.
Хоча Веласкес-Гарсія задоволений цими датчиками, він хоче вдосконалити процес виготовлення в майбутньому. Зменшення товщини шарів або розміру пікселя під час полімеризації склокерамічної ванни може створити складне обладнання, яке буде ще точнішим. Крім того, повністю адитивне виробництво датчиків зробить їх сумісними з виробництвом у космосі. Він також хоче вивчити використання штучного інтелекту для оптимізації дизайну датчиків для конкретних випадків використання, наприклад, значно зменшити їх масу, забезпечуючи при цьому їх структурну надійність.
Посилання: «Компактні аналізатори потенціалу затримки, створені за допомогою полімеризації склокерамічної ванни для CubeSat і лабораторної плазмової діагностики» Хав’єра Ізк’єрдо-Рейєса, Зої Бігелоу, Ніколаса К. Любінського та Луїса Фернандо Веласкеса-Гарсія, 13 липня 2022 р., Виробництво добавок.
DOI: 10.1016/j.addma.2022.103034
Ця робота була частково профінансована MIT, MIT-Tecnológico de Monterrey Nanotechnology Program, MIT Portugal Programme та Португальським фондом науки і технологій.
