Forskere udvikler 3D-printsensorer til satellitter

Forskere udvikler 3D-printsensorer til satellitter

3D-printet plasmasensor til kredsende rumfartøjer

MED

MIT-forskere har udviklet de første fuldt digitalt fremstillede plasmasensorer til kredsende rumfartøjer. Disse plasmasensorer, også kendt som Retarding Potential Analyzers (RPA), bruges af satellitter til at bestemme atmosfærens kemiske sammensætning og ionenergifordeling.

Den 3D-printede og laserskårne hardware virkede, og det samme gjorde state-of-the-art halvlederplasmasensorer, som er lavet i et rent rum, hvilket gør dem dyre og kræver ugers kompliceret fremstilling. Derimod kan de 3D-printede sensorer laves på få dage for titusinder af dollars.

På grund af deres lave omkostninger og hurtige produktion er sensorerne ideelle til CubeSats. Disse billige, lavt strømforbrugende og lette satellitter bruges i vid udstrækning til kommunikation og miljøovervågning i Jordens øvre atmosfære.

Forskere designet RPA’er ved hjælp af et glaskeramisk materiale, der er mere holdbart end traditionelle sensormaterialer såsom silicium og tyndfilmsbelægninger. Brugen af ​​glaskeramikken i en fremstillingsproces udviklet til 3D-print med plastik har gjort det muligt at producere sensorer med komplekse former, der kan modstå de brede temperaturudsving, som et rumfartøj i lav kredsløb om jorden ville opleve.

“Additiv fremstilling kan gøre en enorm forskel i fremtiden for rumhardware. Nogle mennesker tror, ​​at 3D-print kræver mindre strøm. Men vi har vist, at det ikke altid er tilfældet. Nogle gange er der intet kompromis,” siger Luis Fernando Velásquez-García, seniorforsker ved MIT’s Microsystems Technology Laboratories (MTL) og seniorforfatter til et papir, der introducerer plasmasensorerne.

Ved siden af ​​Velásquez-García er hovedforfatter og MTL postdoc Javier Izquierdo-Reyes; kandidatstuderende Zoey Bigelow; og postdoc Nicholas K. Lubinsky. Forskningen er publiceret i Additive Manufacturing.

Alsidige sensorer

En RPA blev første gang brugt på en rummission i 1959. Sensorerne registrerer energien i ioner, eller ladede partikler, suspenderet i et plasma, som er en overophedet blanding af molekyler, der findes i Jordens øvre atmosfære. Om bord på et rumfartøj i kredsløb som en CubeSat måler de alsidige instrumenter energi og udfører kemiske analyser, der kan hjælpe videnskabsmænd med at forudsige vejret eller overvåge klimaændringer.

Sensorerne indeholder en række elektrisk ladede masker, der er fyldt med små huller. Når plasmaet strømmer gennem hullerne, fjernes elektroner og andre partikler, indtil der kun er ioner tilbage. Disse ioner genererer en elektrisk strøm, som sensoren måler og analyserer.

Nøglen til succesen af ​​en RPA er sagsstrukturen, som justerer maskerne. Den skal være elektrisk isolerende og samtidig kunne modstå pludselige, drastiske temperaturændringer. Forskere brugte et printbart, glaskeramisk materiale, der udviser disse egenskaber, kendt som Vitrolite.

Vitrolite blev udviklet i begyndelsen af ​​det 20. århundrede og blev ofte brugt i farverige fliser, der blev et almindeligt syn i Art Deco-bygninger.

Det holdbare materiale kan også modstå temperaturer på op til 800 grader Celsius uden at nedbrydes, mens polymerer, der bruges i halvleder RPA’er, begynder at smelte ved 400 grader Celsius.

”Når man laver denne sensor i renrummet, har man ikke samme grad af frihed til at definere materialer og strukturer, og hvordan de interagerer. Dette blev muliggjort af den seneste udvikling inden for additiv fremstilling,” siger Velásquez-García.

Gentænk produktionen

3D-printprocessen for keramik involverer typisk keramisk pulver, der slås med en laser for at smelte det sammen til former, men denne proces efterlader ofte materialet groft og skaber svage punkter på grund af lasernes høje varme.

I stedet brugte MIT-forskerne tankpolymerisering, en proces, der var banebrydende for årtier siden til additiv fremstilling ved hjælp af polymerer eller harpikser. Ved tankpolymerisation opbygges en 3D-struktur lag for lag ved gentagne gange at dyppe den ned i en tank med flydende materiale, i dette tilfælde Vitrolite. Ultraviolet lys bruges til at hærde materialet efter hvert lag er tilføjet, og derefter er platformen nedsænket tilbage i karret. Hvert lag er kun 100 mikrometer tykt (ca. diameteren af ​​et menneskehår), hvilket giver mulighed for at skabe glatte, porefrie, komplekse keramiske former.

I digital fremstilling kan objekter beskrevet i en designfil være meget komplekse. Denne præcision gjorde det muligt for forskerne at skabe laserskårne masker med unikke former, så hullerne passede perfekt, når de blev indsat i RPA-kassen. Dette tillader flere ioner at passere, hvilket resulterer i målinger med højere opløsning.

Fordi sensorerne var billige at lave og kunne laves så hurtigt, lavede holdet en prototype på fire unikke designs.

Mens et design var særligt effektivt til at fange og måle en bred vifte af plasmaer, som en satellit i kredsløb ville støde på, var et andet velegnet til at fange ekstremt tætte og kolde plasmaer, der normalt kun kan måles med ultrapræcise halvlederenheder.

Dette høje præcisionsniveau kunne muliggøre 3D-printede sensorer til applikationer inden for fusionsenergiforskning eller supersonisk flyvning. Den hurtige prototyping-proces kan endda føre til mere innovation inden for satellit- og rumfartøjsdesign, tilføjer Velásquez-García.

”Enhver, der vil være innovativ, skal kunne fejle og have råd til at tage risikoen. Additiv fremstilling er en meget anderledes måde at lave rumhardware på. Jeg kan lave space hardware, og hvis det fejler gør det ikke noget, for jeg kan lave en ny version meget hurtigt og billigt og virkelig lave designet om. Det er en ideel sandkasse for forskere,” siger han.

Mens Velásquez-García er glad for disse sensorer, ønsker han at forbedre fremstillingsprocessen i fremtiden. Reduktion af lagtykkelse eller pixelstørrelse i glaskeramisk tankpolymerisering kan skabe kompleks hardware, der er endnu mere præcis. Ydermere ville fuldstændig additiv fremstilling af sensorerne gøre dem kompatible med fremstilling i rummet. Han ønsker også at udforske brugen af ​​kunstig intelligens til at optimere sensordesign til specifikke use cases, f.eks. B. at reducere deres masse kraftigt og samtidig sikre, at de forbliver strukturelt sunde.

Dette arbejde blev delvist finansieret af MIT, MIT-Tecnológico de Monterrey Nanotechnology Program, MIT Portugal-programmet og den portugisiske Foundation for Science and Technology.

Artikel: “Kompakte retarderende potentialanalysatorer aktiveret af glaskeramisk karpolymerisering til CubeSat og laboratorieplasmadiagnostik”

Leave a Comment

Your email address will not be published.