研究人员 3D 打印卫星传感器

麻省理工学院的科学家们创造了第一个用于轨道航天器的完全数字化制造的等离子体传感器。这些等离子体传感器，也称为延迟电位分析仪 (RPA)，被卫星用于确定大气的化学成分和离子能量分布。

3D 打印和激光切割硬件与在洁净室制造的最先进的半导体等离子传感器一样，这使得它们变得昂贵并且需要数周的复杂制造。相比之下，3D 打印传感器可以在几天内以数十美元的价格生产出来。

由于成本低且生产速度快，这些传感器非常适合 CubeSats。这些廉价、低功率、重量轻的卫星通常用于地球高层大气的通信和环境监测。

研究人员使用比传统传感器材料(如硅和薄膜涂层)更耐用的玻璃陶瓷材料开发了 RPA。通过在为塑料 3D 打印而开发的制造工艺中使用玻璃陶瓷，能够制造出形状复杂的传感器，这些传感器可以承受航天器在低地球轨道上遇到的广泛温度波动。

“增材制造可以对太空硬件的未来产生重大影响。有些人认为，当你 3D 打印某些东西时，你必须牺牲更少的性能。但我们已经证明，情况并非总是如此。有时没有什么可做的。权衡，”麻省理工学院微系统技术实验室 (MTL) 的首席科学家、介绍等离子体传感器的论文的资深作者 Luis Fernando Velásquez-García 说。

加入 Velásquez-García 的论文是主要作者和 MTL 博士后 Javier Izquierdo-Reyes;研究生佐伊·毕格罗;和博士后 Nicholas K. Lubinsky。该研究发表在增材制造上。

多功能传感器

RPA 于 1959 年首次用于太空任务。传感器检测离子或带电粒子中的能量，这些离子或带电粒子漂浮在等离子体中，等离子体是地球上层大气中分子的过热混合物。在像 CubeSat 这样的轨道航天器上，多功能仪器测量能量并进行化学分析，可以帮助科学家预测天气或监测气候变化。

传感器包含一系列带电的网格，上面点缀着小孔。当等离子体穿过空穴时，电子和其他粒子被剥离，直到只剩下离子。这些离子产生传感器测量和分析的电流。

RPA 成功的关键是对齐网格的外壳结构。它必须是电绝缘的，同时还能够承受温度的突然剧烈波动。研究人员使用了一种具有这些特性的可印刷玻璃陶瓷材料，称为 Vitrolite。

Vitrolite 在 20 世纪初首创，经常用于彩色瓷砖，成为装饰艺术建筑中常见的景象。

这种耐用材料还可以承受高达 800 摄氏度的温度而不会分解，而半导体 RPA 中使用的聚合物在 400 摄氏度时开始熔化。

“当你在洁净室中制造这个传感器时，你没有相同程度的自由来定义材料和结构以及它们如何相互作用。使这成为可能的是增材制造的最新发展，”Velásquez-García 说。

重新思考制造

陶瓷的 3D打印过程通常涉及用激光撞击陶瓷粉末以将其融合成形状，但由于激光的高热量，该过程通常会使材料变得粗糙并产生薄弱点。

相反，麻省理工学院的研究人员使用了大桶聚合，这是几十年前引入的一种用于聚合物或树脂增材制造的工艺。通过大桶聚合，通过将其反复浸入一桶液体材料(在本例中为 Vitrolite)中，一次构建一层 3D 结构。每一层加完后，用紫外光固化材料，然后将平台再次浸没在大桶中。每层只有 100 微米厚(大约是人类头发的直径)，可以创造出光滑、无孔、复杂的陶瓷形状。

在数字制造中，设计文件中描述的对象可能非常复杂。这种精度使研究人员能够创建具有独特形状的激光切割网格，以便将孔设置在 RPA 外壳内时完美对齐。这使更多的离子能够通过，从而实现更高分辨率的测量。

由于传感器的生产成本低廉且制造速度如此之快，该团队制作了四种独特设计的原型。

虽然一种设计在捕获和测量各种等离子体方面特别有效，例如卫星在轨道上遇到的等离子体，但另一种设计非常适合感测极其密集和冷的等离子体，这些等离子体通常只能使用超精密半导体设备进行测量。

这种高精度可以使 3D 打印传感器应用于聚变能研究或超音速飞行。Velásquez-García 补充说，快速原型制作过程甚至可以刺激卫星和航天器设计方面的更多创新。

“如果你想创新，你需要能够失败并承担风险。增材制造是制造太空硬件的一种非常不同的方式。我可以制造太空硬件，如果失败了，没关系，因为我可以制造一个新版本非常快速且成本低廉，并且真正在设计上进行迭代。它是研究人员的理想沙箱，”他说。

虽然 Velásquez-García 对这些传感器很满意，但他希望在未来改进制造过程。减少玻璃陶瓷缸聚合中的层厚度或像素尺寸可以创建更精确的复杂硬件。此外，完全增材制造传感器将使它们与太空制造兼容。他还想探索使用人工智能来优化特定用例的传感器设计，例如大大减少它们的质量，同时确保它们保持结构合理。

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