Los sensores de plasma fabricados digitalmente, baratos y rápidos de producir, podrían ayudar a los científicos a predecir el clima o estudiar el cambio climático

Científicos del Instituto Tecnológico de Massachusetts (MIT, por sus siglas en inglés) han creado los primeros sensores de plasma totalmente digitales para orbitar una nave espacial. Los satélites utilizan estos sensores de plasma, también conocidos como analizadores de potencial trasero (RPA), para determinar la composición química y la distribución de la energía iónica en la atmósfera.

Se implementan dispositivos impresos y cortados con láser, así como los últimos sensores de plasma semiconductores fabricados en salas limpias, lo que los hace muy costosos y requiere semanas de fabricación compleja. Por el contrario, los sensores impresos en 3D se pueden producir por decenas de dólares en cuestión de días.

Debido a su bajo costo y velocidad de producción, los sensores son ideales para CubeSats. Estos satélites económicos, de bajo consumo y livianos se usan a menudo para comunicaciones y monitoreo ambiental en la atmósfera superior de la Tierra.

Los investigadores desarrollaron RPA utilizando un material cerámico vítreo que es más duradero que los materiales de detección tradicionales como el silicio y las películas delgadas. Usando vitrocerámica en un proceso de fabricación que se desarrolló para la impresión 3D en plástico, existía la capacidad de crear sensores de formas intrincadas que podían soportar las amplias fluctuaciones de temperatura que encontrarían las naves espaciales en la órbita terrestre inferior.

«La fabricación adicional podría marcar una gran diferencia en el futuro del hardware espacial. Algunas personas piensan que cuando se imprime algo en 3D, se debe comprometer un rendimiento más bajo. Pero hemos demostrado que no siempre es así. A veces no hay nada ”, dice Luis Fernando Velásquez, García, científico principal de Microsystems Technology Laboratories (MTL) del MIT y autor principal de un artículo de investigación que presenta sensores de plasma.

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Acompañado por Velásquez-García en el autor principal del artículo y postdoctorado de MTL Javier Izquierdo-Reyes; la estudiante de posgrado Zoe Bigelow; Postdoctorado Nicholas K. Lubinsky. La búsqueda fue publicada en fabricación aditiva.

Sensores versátiles

RPA se utilizó por primera vez en una misión espacial en 1959. Los sensores detectan energía en iones, o partículas cargadas, que flotan en el plasma, una mezcla extremadamente caliente de partículas en la atmósfera superior de la Tierra. En una nave espacial en órbita como el 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 rejillas cargadas eléctricamente salpicadas de pequeños agujeros. A medida que el plasma pasa a través de los agujeros, los electrones y otras partículas se eliminan hasta que solo quedan iones. Estos iones crean una corriente eléctrica que el sensor mide y analiza.

La clave del éxito de RPA es la estructura de alojamiento que alinea las redes. Debe ser un aislante eléctrico y al mismo tiempo ser capaz de soportar fluctuaciones extremas repentinas de temperatura. Los investigadores utilizaron un material cerámico vítreo imprimible que exhibe estas propiedades, conocido como Vitrolite.

Vitrolite fue pionera a principios de 1900, a menudo se usa en los azulejos de colores que se convirtieron en una vista común en los edificios Art Deco.

El material duradero también puede soportar temperaturas de hasta 800 °C sin agrietarse, mientras que los polímeros utilizados en los semiconductores comienzan a fundirse a los 400 °C.

«Cuando fabrica este sensor en la sala limpia, no tiene el mismo grado de libertad para decidir qué materiales y estructuras y cómo interactúan entre sí. Lo que ha hecho esto posible son los últimos avances en fabricación aditiva», dice Velásquez-Garcia. .

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Repensar la fabricación

El proceso de impresión 3D para cerámica generalmente involucra un polvo de cerámica que es golpeado por un láser para fusionarlo en formas, pero este proceso a menudo deja el material áspero y crea debilidades debido al alto calor del láser.

En cambio, los investigadores del MIT utilizaron la polimerización directa, un proceso introducido hace décadas para fabricar aditivos con polímeros o resinas. Con la polimerización en cubeta, se construye una estructura tridimensional una capa a la vez sumergiéndola repetidamente en un recipiente 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 sumerge nuevamente en el fregadero. Cada capa tiene solo 100 micrones de espesor (aproximadamente el diámetro de un cabello humano), lo que permite la creación de formas cerámicas intrincadas, suaves y sin poros.

En la fabricación digital, los objetos descritos en el archivo de diseño pueden ser muy complejos. Esta precisión permitió a los investigadores crear rejillas cortadas con láser con formas únicas para que los agujeros se alinearan perfectamente cuando se colocaran dentro de la cubierta RPA. Esto permite que pasen más iones, lo que da como resultado mediciones de mayor precisión.

Debido a que los sensores eran baratos de producir y podían fabricarse muy rápidamente, el equipo prototipó cuatro diseños únicos.

Si bien un diseño fue particularmente efectivo para capturar y medir una amplia gama de plasma, como el que encontraría un satélite en órbita, otro se adaptó bien para detectar plasma frío extremadamente denso, que generalmente solo se puede medir con semiconductores ultra precisos. dispositivos.

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Esta alta resolución podría habilitar sensores impresos en 3D para aplicaciones en investigación de energía de fusión o vuelo supersónico. Velásquez-García agrega que el rápido proceso de modelado podría estimular una mayor innovación en el diseño de satélites y naves espaciales.

«Si quiere innovar, debe poder fallar y asumir riesgos. La fabricación aditiva es una forma completamente diferente de hacer dispositivos espaciales. Puedo hacer dispositivos espaciales y si fallo, no importa porque puedo hacer un nueva versión muy rápida y económica, y realmente rediseñada». Es un entorno de pruebas ideal para los investigadores», dice.

Si bien Velásquez-García está satisfecho con estos sensores, en el futuro quiere impulsar el proceso de fabricación. Reducir el grosor de las capas o el tamaño de píxel de la polimerización del recipiente de vitrocerámica puede crear dispositivos complejos que son más precisos. Además, la fabricación adicional de los sensores los hará compatibles con la fabricación en el espacio. También quiere explorar el uso de IA para mejorar el diseño del sensor para casos de uso específicos, como reducir drásticamente su masa y garantizar que permanezca estructuralmente sólido.

Este trabajo fue financiado en parte por el Instituto Tecnológico de Massachusetts, el Programa de Nanotecnología del MIT-Tecnológico de Monterrey, el Programa MIT Portugal y la Fundación Portuguesa para la Ciencia y la Tecnología.

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