麻省理工學院(MIT)的科學家們為衛星創造了第一個完全數字化製造的等離子體傳感器。這些等離子體傳感器也被稱為遲鈍電位分析器(RPA)，被在軌航天器用來確定大氣層的化學成分和離子能量分佈。
3D打印和激光切割的硬件的性能表現跟最先進的半導體等離子體傳感器一樣好。由於製造過程需要一個潔凈室，所以半導體等離子體傳感器非常昂貴且需要數周的複雜製造。相比之下，這些3D打印的傳感器可以在幾天內以幾十美元的價格生產。
由於其低成本和快速生產，新傳感器是CubeSats的理想選擇。這些廉價、低功耗和輕量級的衛星通常用於地球高層大氣的通信和環境監測。
研究小組使用一種玻璃陶瓷材料開發了RPA，這種材料比硅和薄膜塗層等傳統傳感器材料更就有彈性。通過在為塑料3D打印而開發的製造工藝中使用玻璃陶瓷，他們能建造具有複雜形狀的傳感器，進而能夠承受航天器在低地球軌道上遇到的巨大溫度波動。
“增材製造可以為未來的太空硬件帶來巨大的變化。有些人認為，當你3D打印東西時，你必須讓步於較低的性能。但我們已經證明，情況並非總是如此，”MIT微系統技術實驗室MTL()的首席科學家Luis Fernando Velásquez-García指出。他是一篇介紹等離子體傳感器的論文的第一作者。
跟Velásquez-García一起撰寫論文的還有MTL博士后Javier Izquierdo-Reyes、研究生Zoey Bigelow及博士后Nicholas K. Lubinsky。該研究已發表在《Additive Manufacturing》上。
多用途傳感器
早在1959年，RPA就被首次用於太空任務中。傳感器檢測漂浮在等離子體中的離子或帶電粒子的能量，等離子體則是存在於地球高層大氣中的分子的過熱混合物。在像CubeSat這樣的軌道航天器上，這些多功能的儀器測量能量並進行化學分析，這可以幫助科學家預測天氣或監測氣候變化。
這些傳感器包含一系列帶電的網狀物，上面點綴着小孔。當等離子體通過這些孔時，電子和其他粒子被剝離，直到只剩下離子。這些離子產生電流，傳感器對其進行測量和分析。
RPA成功的關鍵是對準網格的外殼結構。它必須是電絕緣的，與此同時也能承受溫度的突然劇烈波動。研究人員使用了一種被稱為Vitrolite的可打印的玻璃陶瓷材料，它具有這些特性。
Vitrolite在20世紀初開創了先河，經常被用於彩色瓷磚，從而成為裝飾藝術建築中常見的景觀。
這種耐用的材料還可以承受高達800攝氏度的溫度而不破裂，而用於半導體RPA的聚合物在400攝氏度時就開始融化。
“當你在潔凈室中製作這種傳感器時，你沒有同樣的自由度來定義材料和結構及它們如何相互作用，”Velásquez-García說道，“使這成為可能的是增材製造的最新發展。”
重新思考製造
陶瓷的3D打印過程通常涉及陶瓷粉末–用激光將其熔化成形狀。然而由於激光的高熱，這一過程通常會使材料變得粗糙併產生薄弱點。
相反，MIT的科學家們使用了大桶聚合，這是幾十年前引入的用於聚合物或樹脂的增材製造的工藝。在大桶聚合法中，通過將三維結構反覆浸入液體材料的大桶中–在本例中則是Vitrolite，一次建立一層。在每一層加入后，用紫外線固化材料，然後將平台再次浸入大桶中。每一層只有100微米厚（約是人類頭髮的直徑），其能創造出光滑、無孔隙的複雜陶瓷形狀。
在數字製造中，設計文件中描述的物體可以非常複雜。這種精度使研究人員能創建具有獨特形狀的激光切割網格，進而可以在RPA外殼內設置孔時能得到完美排布。這使更多的離子能夠通過從而導致更高分辨率的測量。
由於傳感器的生產成本很低且可以快速製造，該團隊製作了四個獨特的設計原型。
其中一種設計在捕捉和測量廣泛的等離子體方面特別有效，就像衛星在軌道上遇到的那些等離子體一樣，而另一種設計則非常適合於感應極其密集和寒冷的等離子體，這些等離子體通常只能用超精密的半導體設備來測量。
這種高精度可以使3D打印的傳感器應用於聚變能源研究或超音速飛行。Velásquez-García補充稱，快速原型製作過程甚至可以刺激衛星和航天器設計方面的更多創新。
“如果你想創新，那麼你需要能夠失敗並承擔風險。快速成型製造是製造太空硬件的一種非常不同的方式。我可以製造太空硬件，如果它失敗了，也沒有關係，因為我可以非常快速和廉價地製造一個新的版本並真正迭代設計。這對研究人員來說是一個理想的沙盒，”Velásquez-García說道。
雖然Velásquez-García對這些傳感器非常滿意，但他希望在未來加強製造過程。在玻璃陶瓷大桶聚合中減少層的厚度或像素大小將可以創造出更加精確的複雜硬件。此外，完全增材製造的傳感器將使它們跟空間製造兼容。另外，他還希望探索使用人工智能來優化傳感器的設計，以滿足特定的使用情況如大大減少其質量，與此同時確保其結構上保持良好。