3D-printsondes voor satellietonderzoekers

Wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben de eerste volledig digitaal gemaakte plasmasensoren gemaakt in een baan rond een ruimtevaartuig. Deze plasmasensoren, ook wel achterpotentiaalanalysatoren (RPA’s) genoemd, worden door satellieten gebruikt om de chemische samenstelling en verdeling van ionische energie in de atmosfeer te bepalen.

Er worden lasergeprinte en lasergesneden apparaten geïmplementeerd, evenals de nieuwste door de cleanroom vervaardigde halfgeleiderplasmasensoren, waardoor ze erg duur zijn en wekenlang complexe fabricage nodig is. Daarentegen kunnen 3D-geprinte sensoren binnen enkele dagen voor tientallen dollars worden geproduceerd.

Vanwege hun lage kosten en productiesnelheid zijn sensoren ideaal voor CubeSats. Deze goedkope, energiezuinige en lichtgewicht satellieten worden vaak gebruikt voor communicatie en omgevingsmonitoring in de bovenste atmosfeer van de aarde.

De onderzoekers ontwikkelden RPA’s met een glasachtig keramisch materiaal dat duurzamer is dan traditionele detectiematerialen zoals silicium en dunne films. Met behulp van glaskeramiek in een productieproces dat was ontwikkeld voor 3D-printen op plastic, was het mogelijk om sensoren met ingewikkelde vormen te maken die bestand waren tegen de grote temperatuurschommelingen die ruimtevaartuigen zouden tegenkomen in een lagere baan om de aarde.

“Extra productie kan een enorm verschil maken voor de toekomst van ruimtehardware. Sommige mensen denken dat wanneer je iets 3D-print, je concessies moet doen aan lagere prestaties. Maar we hebben aangetoond dat dit niet altijd het geval is. Zegt Luis Fernando Velázquez Garcia, Hoofdwetenschapper bij Microsystems Laboratories, Technoloog (MTL) aan het Massachusetts Institute of Technology (MTL) en senior auteur van het onderzoeksartikel waarin plasmasensoren worden geïntroduceerd: “Soms is er niets om in te ruilen.”

Vergezeld door Velásquez-García in de hoofdauteur van het papier en MTL-postdoc Javier Izquierdo-Reyes; afgestudeerde student Zoe Bigelow; Postdoc Nicholas K. Lubinsky. Het onderzoek is gepubliceerd in het tijdschrift Additive Manufacturing.

Veelzijdige sensoren

RPA werd voor het eerst gebruikt tijdens een ruimtemissie in 1959. Sensoren detecteren energie in ionen, of geladen deeltjes, die zweven in plasma, een extreem heet mengsel van deeltjes in de bovenste atmosfeer van de aarde. Op een ruimtevaartuig in een baan als de CubeSat meten de veelzijdige instrumenten energie en voeren ze chemische analyses uit die wetenschappers kunnen helpen het weer te voorspellen of klimaatverandering te volgen.

De sensoren bevatten een reeks elektrisch geladen roosters bezaaid met kleine gaatjes. Terwijl het plasma door de gaten gaat, worden de elektronen en andere deeltjes weggestript totdat alleen ionen overblijven. Deze ionen creëren een elektrische stroom die de sensor meet en analyseert.

De sleutel tot het succes van RPA is de huisvestingsstructuur die de netwerken op één lijn brengt. Het moet een elektrische isolator zijn en tegelijkertijd bestand zijn tegen plotselinge extreme temperatuurschommelingen. De onderzoekers gebruikten een bedrukbaar glasachtig keramisch materiaal dat deze eigenschappen vertoont, bekend als Vitrolite.

Vitroliet werd gepionierd in de vroege jaren 1900, vaak gebruikt in de gekleurde tegels die gebruikelijk werden in Art Deco-gebouwen.

Het duurzame materiaal is ook bestand tegen temperaturen tot 800°C zonder te breken, terwijl de polymeren die in halfgeleiders worden gebruikt beginnen te smelten bij 400°C.

“Als je deze sensor in de cleanroom maakt, heb je niet dezelfde mate van vrijheid bij het bepalen van de materialen en structuren en hoe ze op elkaar inwerken. Wat dit mogelijk heeft gemaakt, zijn de nieuwste ontwikkelingen op het gebied van additive manufacturing”, zegt Velazquez-Garcia .

Productie opnieuw bekijken

Het 3D-printproces voor keramiek omvat meestal een keramisch poeder dat door een laser wordt geraakt om het in vormen te smelten, maar dit proces laat het materiaal vaak ruw en veroorzaakt zwakke punten vanwege de hoge hitte van de laser.

In plaats daarvan gebruikten de MIT-onderzoekers trogpolymerisatie, een proces dat decennia geleden werd geïntroduceerd om additieven te maken met polymeren of harsen. Bij trogpolymerisatie wordt een driedimensionale structuur laag voor laag opgebouwd door deze herhaaldelijk onder te dompelen in een container met vloeibaar materiaal, in dit geval Vitrolite. Ultraviolet licht wordt gebruikt om het materiaal uit te harden nadat elke laag is toegevoegd, en vervolgens wordt het platform weer ondergedompeld in de gootsteen. Elke laag is slechts 100 micron dik (ongeveer de diameter van een mensenhaar), waardoor gladde, poriënvrije, ingewikkelde keramische vormen kunnen worden gecreëerd.

Bij digitale fabricage kunnen de in het ontwerpdossier beschreven objecten zeer complex zijn. Dankzij deze precisie konden de onderzoekers lasergesneden rasters met unieke vormen maken, zodat de gaten perfect op één lijn liggen wanneer ze in de RPA-schaal worden geplaatst. Hierdoor kunnen meer ionen passeren, wat resulteert in hogere precisiemetingen.

Omdat de sensoren goedkoop te produceren waren en zeer snel konden worden vervaardigd, maakte het team een ​​prototype van vier unieke ontwerpen.

Terwijl het ene ontwerp bijzonder effectief was in het vastleggen en meten van een breed scala aan plasma, zoals dat wat een satelliet in een baan om de aarde zou tegenkomen, was een ander zeer geschikt voor het waarnemen van extreem dicht, koud plasma, dat doorgaans alleen kan worden gemeten met ultrafijne halfgeleiders apparaten.

Deze hoge resolutie kan 3D-geprinte sensoren mogelijk maken voor toepassingen in onderzoek naar fusie-energie of supersonische vluchten. Velásquez-García voegt eraan toe dat het snelle modelleringsproces verdere innovatie in het ontwerp van satellieten en ruimtevaartuigen zou kunnen stimuleren.

“Als je wilt innoveren, moet je kunnen falen en risico’s nemen. Additive manufacturing is een heel andere manier om ruimtehardware te maken. Ik kan ruimtehardware maken en als ik faal, maakt het niet uit, want ik kan een nieuwe versie heel snel en goedkoop, en ik herhaal het ontwerp echt.” Het is een ideale sandbox voor onderzoekers.

Hoewel Velásquez-García blij is met deze sensoren, wil hij in de toekomst het productieproces een boost geven. Door de dikte van de lagen of de pixelgrootte van de glaskeramische vatpolymerisatie te verminderen, kunnen complexe apparaten worden gecreëerd die nauwkeuriger zijn. Bovendien zal de extra fabricage van de sensoren ze compatibel maken met fabricage in de ruimte. Hij wil ook onderzoeken hoe AI kan worden gebruikt om het ontwerp van de sensor voor specifieke gebruikssituaties te verbeteren, zoals het drastisch verminderen van de massa en ervoor zorgen dat het structureel gezond blijft.

Dit werk werd gedeeltelijk gefinancierd door het Massachusetts Institute of Technology, het MIT-Tecnológico de Monterrey Nanotechnology Program, het MIT Portugal-programma en de Portugese Stichting voor Wetenschap en Technologie.

papier: “Geïntegreerde vertragende potentiaalanalysatoren mogelijk gemaakt door polymerisatie van glas en keramiek voor plasmadiagnostiek in CubeSat en laboratorium“