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麻省理工学院研究人员3D打印卫星传感器

文章和图片来源:        时间:2022.08.18        点击率:

  麻省理工学院CubeSat传感器

  麻省理工学院宣布,他们的一个研究小组已经为轨道上的航天器创造了 "第一个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),被卫星用来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的性能与在洁净室中制造的最先进的半导体等离子传感器一样好。

  洁净室中制造的传感器价格昂贵,需要数周的复杂制造,而3D打印的传感器可以在几天内以几十美元的价格生产。

  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、低功率和轻便的卫星通常用于地球高层大气的通信和环境监测。

  通过在为塑料3D打印而开发的制造工艺中使用玻璃陶瓷,意味着研究人员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,你不得不承认更少的性能。但我们已经证明,情况并非总是如此。有时候,没有什么可以交换的。”麻省理工学院微系统技术实验室(MTL)的首席科学家、介绍新型等离子体传感器的论文的资深作者LuisFernandoVelásquez-García说。

  1959年,RPA首次被用于太空任务。传感器探测漂浮在等离子体中的离子或带电粒子的能量,等离子体是存在于地球上层大气中的过热的分子混合物。

  通过搭载在像CubeSat这样的轨道航天器上的传感器,这些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。

  RPA成功的关键是与一系列带电网格对齐的外壳结构。该结构必须是绝缘的,同时能承受温度的突然波动。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的常见景象。这种耐用材料可以承受高达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。

  在陶瓷的3D打印过程中,激光通常会使材料变得粗糙,并且由于激光的高热量而产生薄弱点。麻省理工学院的研究人员使用了大桶聚合法,这种方法是通过将3D结构反复浸入大桶的液体材料(在本例中为Vitrolite)中,一层一层地建立起来。

  每一层加完后,用紫外光固化材料,然后再次浸没在大桶中。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。