麻省理工學院科學家3D打印衛(wèi)星傳感器，用于預測天氣或研究氣候變化

2022年7月29日，南極熊獲悉，來自麻省理工學院（MIT）的研究人員已經(jīng)成功地3D打印出第一個完全數(shù)字化制造的等離子體傳感器，可應用到太空衛(wèi)星上。他們使用立體光聚合法來制造這些等離子體傳感器，它們也被稱為延緩電位分析器（RPA），使制造商能夠以比以往更快和更便宜的方式生產(chǎn)它們?？茖W家們希望借助它確定大氣的化學成分和離子能量分布，進而達到預測天氣或監(jiān)測氣候變化的目的。

自從航空航天領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)3D打印的好處以來，無數(shù)的新項目和發(fā)明不斷涌現(xiàn)，使整個行業(yè)比以往任何時候都更進一步。增材制造促使科學家和工程師們找到了利用這些技術(shù)發(fā)揮自身優(yōu)勢的渠道，正如麻省理工學院科學家的這一最新發(fā)現(xiàn)所顯示的。在最近發(fā)表的一篇論文中，這所北美著名大學的研究人員宣布，他們已經(jīng)為CubeSats等軌道航天器創(chuàng)造了完全數(shù)字化制造的等離子體傳感器。這些小而輕的衛(wèi)星，與其他航天器相比，價格相對低廉，主要用于通信或環(huán)境監(jiān)測上。

照片來源：麻省理工學院

這些新推出的3D打印傳感器之所以如此有趣，是由于使用了光聚合技術(shù)而不是激光增材工藝，它們可以比其他傳感器更快、更短地生產(chǎn)。通常情況下，傳感器的生產(chǎn)需要幾周的時間，并且需要特殊的要求，如無塵室，才能生產(chǎn)。就科學和制造而言，潔凈室是一種受控環(huán)境，完全沒有灰塵、空氣中的微生物和氣溶膠顆粒等污染物，這樣的嚴格要求使這個過程既昂貴又費時。麻省理工學院微系統(tǒng)技術(shù)實驗室（MTL）的首席科學家Luis Fernando Velásquez-García解釋說："當你在潔凈室中制作這種傳感器時，你沒有相同的自由度來定義材料和結(jié)構(gòu)以及它們?nèi)绾蜗嗷プ饔?。使之成為可能的是增材制造的最新發(fā)展。

制作多功能傳感器的材料和工藝

RPA 于 1959 年首次用于太空任務。傳感器檢測離子或帶電粒子中的能量，這些離子或帶電粒子漂浮在等離子體中，等離子體是地球上層大氣中分子的過熱混合物。在像 CubeSat 這樣的軌道航天器上，多功能儀器測量能量并進行化學分析，可以幫助科學家預測天氣或監(jiān)測氣候變化。

傳感器包含一系列帶電的網(wǎng)格，上面點綴著小孔。當?shù)入x子體穿過空穴時，電子和其他粒子被剝離，直到只剩下離子。這些離子產(chǎn)生傳感器測量和分析的電流。RPA 成功的關(guān)鍵是對齊網(wǎng)格的外殼結(jié)構(gòu)。它必須是電絕緣的，同時還能夠承受溫度的突然劇烈波動。

為了制造出傳感器，科學家們選擇了一種具有這些特性的可打印玻璃陶瓷材料，稱為Vitrolite，這是一種玻璃陶瓷材料，具有合適的特性，能夠承受外太空的極端溫度變化。Vitrolite 在 20 世紀初被發(fā)明出來，經(jīng)常用于彩色瓷磚，成為裝飾藝術(shù)建筑中常見的材料。這種耐用材料還可以承受高達 800 攝氏度的溫度而不會分解，而半導體 RPA 中使用的聚合物在 400 攝氏度時開始熔化。

LuisFernando Velásquez-García（圖片來源：MIT）

陶瓷的 3D 打印過程通常涉及用激光撞擊陶瓷粉末以將其融合成形狀，但由于激光的高熱量，該過程通常會使材料變得粗糙并產(chǎn)生薄弱點。相反，麻省理工學院的研究人員使用了大桶光聚合技術(shù)，這是幾十年前引入的一種用于聚合物或樹脂增材制造的工藝。通過大桶立體光刻工藝，將其反復浸入一桶液體材料（在本例中為 Vitrolite）中，一次構(gòu)建一層 3D 結(jié)構(gòu)。每一層加完后，用紫外光固化材料，然后將平臺再次浸沒在大桶中。每層只有100 微米厚（大約是人類頭發(fā)的直徑），可以創(chuàng)造出光滑、無孔、復雜的陶瓷形狀。

在數(shù)字制造中，設(shè)計文件中描述的對象可能非常復雜。這種精度使研究人員能夠創(chuàng)建具有獨特形狀的激光切割網(wǎng)格，以便將孔設(shè)置在 RPA 外殼內(nèi)時完美對齊。這使更多的離子能夠通過，從而實現(xiàn)更高分辨率的測量。由于傳感器的生產(chǎn)成本低廉且制造速度如此之快，研究團隊制作了四種獨特設(shè)計的原型。

雖然一種設(shè)計在捕獲和測量各種等離子體方面特別有效，例如衛(wèi)星在軌道上遇到的等離子體，但另一種設(shè)計非常適合感測極其密集和冷的等離子體，這些等離子體通常只能使用超精密半導體設(shè)備進行測量。這種高精度可以使 3D 打印傳感器應用于聚變能研究或超音速飛行。

Velásquez-García 補充說：“快速原型制作過程甚至可以刺激衛(wèi)星和航天器設(shè)計方面的更多創(chuàng)新。如果你想創(chuàng)新，你需要能夠失敗并承擔風險。增材制造是制造太空硬件的一種非常不同的方式。我可以制作太空硬件，如果它失敗了，也沒關(guān)系，因為我可以非?？焖偾伊畠r地制作新版本，并真正迭代設(shè)計。對于研究人員來說，這是一個理想的技術(shù)手段?！?/div>

雖然 Velásquez-García 對這些傳感器很滿意，但他希望在未來改進制造過程。減少玻璃陶瓷缸聚合中的層厚度或像素尺寸可以創(chuàng)建更精確的復雜硬件。此外，完全增材制造傳感器將使它們與太空制造兼容。他還想探索使用人工智能來優(yōu)化特定用例的傳感器設(shè)計，例如大大減少它們的質(zhì)量，同時確保它們保持結(jié)構(gòu)合理。

在投入商業(yè)用途后，新的3D打印傳感器將能夠幫助科學家預測天氣，更好地研究氣候變化，或以許多其他方式進行研究。盡管他期待著進一步開發(fā)和研究這些傳感器，但Luis對他和團隊的工作完全滿意，并總結(jié)說："增材制造可以為未來的空間設(shè)備帶來巨大變化。有些人認為，當你用3D打印制造某些東西時，你必須接受較低的性能。但我們已經(jīng)表明，情況并非總是如此。"

這項研究論文是由MTL 博士后Javier Izquierdo-Reyes，研究生ZoeyBigelow和博士后 Nicholas K. Lubinsky共同完成，被發(fā)表在增材頂刊《AdditiveManufacturing》上。

相關(guān)論文鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860422004262