(Noticias de Nanowerk) Los científicos del MIT han desarrollado los primeros sensores de plasma totalmente fabricados digitalmente para naves espaciales en órbita. Estos sensores de plasma, también llamados analizadores de potencial de retardo (RPA), son utilizados por satélites para determinar la composición química y la distribución de energía iónica de la atmósfera.
El hardware impreso en 3D y cortado con láser funcionó, al igual que los sensores de plasma semiconductores de última generación, que se fabrican en una sala limpia, lo que los encarece y requiere semanas de fabricación complicada. Por el contrario, los sensores impresos en 3D se pueden fabricar en cuestión de días por decenas de dólares.
Debido a su bajo costo y rápida producción, los sensores son ideales para CubeSats. Estos satélites de bajo costo, bajo consumo y peso ligero son ampliamente utilizados para comunicaciones y monitoreo ambiental en la atmósfera superior de la Tierra.
Los investigadores diseñaron RPA utilizando un material de vitrocerámica que es más duradero que los materiales de sensores tradicionales, como el silicio y los revestimientos de película delgada. El uso de la vitrocerámica en un proceso de fabricación desarrollado para la impresión 3D con plásticos ha permitido crear sensores con formas complejas que pueden soportar los amplios cambios de temperatura que experimentaría una nave espacial en órbita terrestre baja.
“La fabricación aditiva puede marcar una gran diferencia en el futuro del hardware espacial. Algunas personas piensan que la impresión 3D requiere menos energía. Pero hemos demostrado que no siempre es así. A veces no hay compromiso”, dice Luis Fernando Velásquez-García, científico principal de Microsystems Technology Laboratories (MTL) del MIT y autor principal de un artículo que presenta los sensores de plasma.
Además de Velásquez-García, el autor principal y el postdoctorado de MTL son Javier Izquierdo-Reyes; la estudiante de posgrado Zoey Bigelow; y el posdoctorado Nicholas K. Lubinsky. La investigación se publica en Fabricación aditiva («Analizadores de potencial de retardo compactos habilitados por polimerización en tina de vitrocerámica para CubeSat y diagnósticos de plasma de laboratorio»).
Sensores versátiles
Un RPA se utilizó por primera vez en una misión espacial en 1959. Los sensores capturan la energía de los iones, o partículas cargadas, suspendidas en un plasma, que es una mezcla sobrecalentada de moléculas presentes en la atmósfera superior de la Tierra. A bordo de una nave espacial en órbita como un CubeSat, los instrumentos versátiles miden la energía y realizan análisis químicos que pueden ayudar a los científicos a predecir el clima o monitorear el cambio climático.
Los sensores contienen una serie de mallas cargadas eléctricamente plagadas de pequeños agujeros. A medida que el plasma fluye a través de los agujeros, los electrones y otras partículas se eliminan hasta que solo quedan iones. Estos iones generan una corriente eléctrica que el sensor mide y analiza.
La clave del éxito de un RPA es la estructura de la caja, que alinea las mallas. Debe ser eléctricamente aislante y al mismo tiempo ser capaz de soportar cambios de temperatura repentinos y drásticos. Los investigadores utilizaron un material de vitrocerámica imprimible que exhibe estas propiedades, conocido como Vitrolite.
Desarrollado a principios del siglo XX, Vitrolite se usaba a menudo en azulejos de colores brillantes que se convirtieron en una vista común en los edificios Art Deco.
El material duradero también puede soportar temperaturas de hasta 800 grados centígrados sin degradarse, mientras que los polímeros utilizados en los RPA de semiconductores comienzan a derretirse a los 400 grados centígrados.
“Cuando fabricas este sensor en la sala limpia, no tienes el mismo grado de libertad para definir materiales y estructuras y cómo interactúan. Esto fue posible gracias a los últimos avances en fabricación aditiva”, dice Velásquez-García.
Repensar la producción
El proceso de impresión 3D para cerámica generalmente involucra polvo de cerámica que se golpea con un láser para fusionarlo en formas, pero este proceso a menudo deja el material áspero y crea puntos débiles debido al alto calor de los láseres.
En cambio, los investigadores del MIT utilizaron la polimerización en tanque, un proceso pionero hace décadas para la fabricación aditiva con polímeros o resinas. En la polimerización en tanque, se construye una estructura 3D capa por capa sumergiéndola repetidamente en un tanque de material líquido, en este caso Vitrolite. Se usa luz ultravioleta para curar el material después de agregar cada capa y luego la plataforma se vuelve a sumergir en la tina. Cada capa tiene solo 100 micrones de espesor (aproximadamente el diámetro de un cabello humano), lo que permite la creación de formas cerámicas complejas, suaves y no porosas.
En la fabricación digital, los objetos descritos en un archivo de diseño pueden ser muy complejos. Esta precisión permitió a los investigadores crear mallas cortadas con láser con formas únicas, por lo que los agujeros se alinearon perfectamente cuando se insertaron en la caja RPA. Esto permite que pasen más iones, lo que da como resultado mediciones de mayor resolución.
Debido a que los sensores eran baratos de fabricar y podían fabricarse tan rápido, el equipo prototipó cuatro diseños únicos.
Si bien un diseño fue particularmente efectivo para capturar y medir una amplia gama de plasmas, como los que encontraría un satélite en órbita, otro se adaptó bien para capturar plasmas extremadamente densos y fríos que normalmente solo se pueden medir con dispositivos de estado sólido ultraprecisos.
Este alto nivel de precisión podría habilitar sensores impresos en 3D para aplicaciones en investigación de energía de fusión o vuelo supersónico. El rápido proceso de creación de prototipos podría incluso conducir a una mayor innovación en el diseño de satélites y naves espaciales, agrega Velásquez-García.
“Cualquiera que quiera ser innovador debe poder fallar y permitirse correr el riesgo. La fabricación aditiva es una forma muy diferente de fabricar hardware espacial. Puedo hacer hardware espacial y si falla no importa porque puedo hacer una nueva versión de forma muy rápida y económica y realmente rehacer el diseño. Es una caja de arena ideal para los investigadores”, dice.
Si bien Velásquez-García está contento con estos sensores, quiere mejorar el proceso de fabricación en el futuro. Reducir el grosor de la capa o el tamaño del píxel en la polimerización en tanque de vitrocerámica podría crear un hardware complejo que es aún más preciso. Además, la fabricación totalmente aditiva de los sensores los haría compatibles con la fabricación en el espacio. También quiere explorar el uso de inteligencia artificial para optimizar el diseño de sensores para casos de uso específicos, p. B. para reducir en gran medida su masa mientras se asegura que permanezcan estructuralmente sólidos.
