นักวิทยาศาสตร์ของ MIT ได้สร้างเซ็นเซอร์พลาสมาที่ผลิตขึ้นแบบดิจิทัลตัวแรกสำหรับวงโคจรของยานอวกาศ เซ็นเซอร์พลาสม่าเหล่านี้ หรือที่เรียกว่าเครื่องวิเคราะห์ศักย์หน่วง (RPA) ถูกใช้โดยดาวเทียมเพื่อกำหนดองค์ประกอบทางเคมีและการกระจายพลังงานไอออนของบรรยากาศ
ฮาร์ดแวร์ที่พิมพ์ 3 มิติและตัดด้วยเลเซอร์ทำงานเช่นเดียวกับเซ็นเซอร์พลาสม่าเซมิคอนดักเตอร์ล้ำสมัยที่ผลิตขึ้นในห้องปลอดเชื้อ ซึ่งทำให้มีราคาแพงและต้องใช้เวลาในการผลิตที่ซับซ้อนหลายสัปดาห์ ในทางตรงกันข้าม เซนเซอร์ที่พิมพ์ 3 มิติสามารถผลิตได้หลายสิบเหรียญในเวลาไม่กี่วัน
เนื่องจากต้นทุนต่ำและการผลิตที่รวดเร็ว เซ็นเซอร์จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับ CubeSats ดาวเทียมที่ใช้พลังงานต่ำและราคาไม่แพงเหล่านี้มักใช้สำหรับการสื่อสารและการตรวจสอบสิ่งแวดล้อมในชั้นบรรยากาศของโลก
นักวิจัยได้พัฒนา RPA โดยใช้วัสดุแก้วเซรามิกที่มีความทนทานมากกว่าวัสดุเซ็นเซอร์แบบเดิม เช่น ซิลิกอนและสารเคลือบฟิล์มบาง ด้วยการใช้แก้วเซรามิกในกระบวนการผลิตที่พัฒนาขึ้นสำหรับการพิมพ์ 3 มิติด้วยพลาสติก ทำให้สามารถสร้างเซ็นเซอร์ที่มีรูปร่างซับซ้อนซึ่งสามารถทนต่ออุณหภูมิที่ผันผวนกว้างที่ยานอวกาศจะเผชิญในวงโคจรโลกตอนล่างได้
“การผลิตเพิ่มเติมสามารถสร้างความแตกต่างอย่างมากในอนาคตของฮาร์ดแวร์อวกาศ บางคนคิดว่าเมื่อคุณพิมพ์งาน 3 มิติ คุณต้องเสียประสิทธิภาพน้อยลง แต่เราได้แสดงให้เห็นแล้วว่าไม่เสมอไป บางครั้งก็ไม่มีอะไรจะแลกได้” Luis Fernando Velásquez-García นักวิทยาศาสตร์หลักใน Microsystems Technology Laboratories (MTL) ของ MIT และผู้เขียนอาวุโสของบทความที่นำเสนอเซ็นเซอร์พลาสม่ากล่าว
การเข้าร่วมVelásquez-Garcíaในบทความเป็นผู้เขียนนำและ MTL postdoc Javier Izquierdo-Reyes; นักศึกษาระดับบัณฑิตศึกษา Zoey Bigelow; และ postdoc Nicholas K. Lubinsky งานวิจัยนี้ตีพิมพ์ในAdditive Manufacturing
เซ็นเซอร์อเนกประสงค์
RPA ถูกใช้ครั้งแรกในภารกิจอวกาศในปี 1959 เซ็นเซอร์ตรวจจับพลังงานในไอออนหรืออนุภาคที่มีประจุซึ่งลอยอยู่ในพลาสมา ซึ่งเป็นส่วนผสมของโมเลกุลที่ร้อนจัดในชั้นบรรยากาศชั้นบนของโลก บนยานอวกาศที่โคจรรอบ ๆ เช่น CubeSat เครื่องมืออเนกประสงค์วัดพลังงานและทำการวิเคราะห์ทางเคมีที่สามารถช่วยนักวิทยาศาสตร์คาดการณ์สภาพอากาศหรือตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงสภาพภูมิอากาศ
เซ็นเซอร์ประกอบด้วยชุดตาข่ายที่มีประจุไฟฟ้าซึ่งมีรูเล็กๆ เมื่อพลาสมาทะลุผ่านรู อิเล็กตรอนและอนุภาคอื่นๆ จะถูกดึงออกไปจนเหลือเพียงไอออน ไอออนเหล่านี้สร้างกระแสไฟฟ้าที่เซ็นเซอร์วัดและวิเคราะห์
กุญแจสู่ความสำเร็จของ RPA คือโครงสร้างที่อยู่อาศัยที่จัดแนวตาข่าย ต้องเป็นฉนวนไฟฟ้าในขณะที่สามารถทนต่ออุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงอย่างฉับพลันและรุนแรงได้ นักวิจัยใช้วัสดุแก้วเซรามิกที่พิมพ์ได้ซึ่งแสดงคุณสมบัติเหล่านี้ที่เรียกว่า Vitrolite
ไวโตรไลต์เป็นผู้บุกเบิกในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 มักใช้ในกระเบื้องสีสันสดใสซึ่งกลายเป็นภาพที่เห็นได้ทั่วไปในอาคารสไตล์อาร์ตเดโค
วัสดุที่ทนทานยังสามารถทนต่ออุณหภูมิได้สูงถึง 800 องศาเซลเซียสโดยไม่ทำลาย ในขณะที่พอลิเมอร์ที่ใช้ใน RPA ของเซมิคอนดักเตอร์จะเริ่มละลายที่ 400 องศาเซลเซียส
“เมื่อคุณสร้างเซ็นเซอร์นี้ในห้องคลีนรูม คุณไม่มีอิสระในระดับเดียวกันในการกำหนดวัสดุและโครงสร้างและวิธีที่พวกมันโต้ตอบกัน สิ่งที่ทำให้สิ่งนี้เป็นไปได้คือการพัฒนาล่าสุดในการผลิตแบบเพิ่มเนื้อ” Velásquez-García กล่าว
คิดใหม่ประดิษฐ์
กระบวนการพิมพ์ 3 มิติสำหรับเซรามิกมักเกี่ยวข้องกับผงเซรามิกที่ยิงด้วยเลเซอร์เพื่อหลอมรวมเป็นรูปร่าง แต่กระบวนการนี้มักจะทำให้วัสดุหยาบและสร้างจุดอ่อนเนื่องจากความร้อนสูงจากเลเซอร์
นักวิจัยของ MIT ใช้ Vat polymerization ซึ่งเป็นกระบวนการที่เปิดตัวเมื่อหลายสิบปีก่อนสำหรับการผลิตสารเติมแต่งด้วยโพลีเมอร์หรือเรซิน ด้วยการทำโพลิเมอไรเซชันของ Vat โครงสร้าง 3 มิติจะถูกสร้างขึ้นทีละชั้นโดยจุ่มลงในถังของเหลวซ้ำๆ กัน ในกรณีนี้คือ Vitrolite แสงอัลตราไวโอเลตใช้ในการรักษาวัสดุหลังจากเพิ่มแต่ละชั้น จากนั้นแพลตฟอร์มจะจุ่มลงในถังอีกครั้ง แต่ละชั้นมีความหนาเพียง 100 ไมครอน (ประมาณเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นผมมนุษย์) ทำให้สามารถสร้างรูปทรงเซรามิกที่เรียบ ไร้รูพรุน และซับซ้อนได้
ในการผลิตดิจิทัล วัตถุที่อธิบายไว้ในไฟล์การออกแบบอาจซับซ้อนมาก ความแม่นยำนี้ช่วยให้นักวิจัยสร้างตาข่ายที่ตัดด้วยเลเซอร์ด้วยรูปทรงที่เป็นเอกลักษณ์ เพื่อให้รูเรียงตัวกันอย่างสมบูรณ์เมื่อติดตั้งภายในตัวเรือน RPA ซึ่งช่วยให้ไอออนผ่านได้มากขึ้น ซึ่งนำไปสู่การวัดที่มีความละเอียดสูงขึ้น
เนื่องจากเซ็นเซอร์มีราคาถูกในการผลิตและสามารถประดิษฐ์ได้อย่างรวดเร็ว ทีมงานจึงสร้างต้นแบบสี่แบบที่ไม่เหมือนใคร
ในขณะที่การออกแบบหนึ่งมีประสิทธิภาพโดยเฉพาะอย่างยิ่งในการจับและวัดพลาสมาที่หลากหลาย เช่นเดียวกับที่ดาวเทียมจะพบในวงโคจร อีกแบบหนึ่งก็เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการตรวจจับพลาสมาที่มีความหนาแน่นสูงและเย็นจัด ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะวัดได้โดยใช้อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีความแม่นยำสูงมากเท่านั้น
ความแม่นยำสูงนี้สามารถเปิดใช้งานเซ็นเซอร์ที่พิมพ์ 3 มิติสำหรับการใช้งานในการวิจัยพลังงานฟิวชันหรือการบินเหนือเสียง กระบวนการสร้างต้นแบบอย่างรวดเร็วสามารถกระตุ้นให้เกิดนวัตกรรมมากขึ้นในการออกแบบดาวเทียมและยานอวกาศ Velásquez-García กล่าวเสริม
“ถ้าคุณต้องการสร้างนวัตกรรม คุณต้องสามารถล้มเหลวและยอมเสี่ยง การผลิตแบบเติมเนื้อวัสดุเป็นวิธีการผลิตฮาร์ดแวร์พื้นที่ที่แตกต่างกันมาก ฉันสามารถสร้างฮาร์ดแวร์พื้นที่ได้ และถ้ามันล้มเหลว ก็ไม่สำคัญเพราะฉันสามารถสร้างเวอร์ชันใหม่ได้อย่างรวดเร็วและราคาไม่แพง และทำซ้ำในการออกแบบจริงๆ มันเป็นแซนด์บ็อกซ์ในอุดมคติสำหรับนักวิจัย” เขากล่าว
แม้ว่า Velásquez-García จะพอใจกับเซ็นเซอร์เหล่านี้ แต่ในอนาคตเขาต้องการที่จะปรับปรุงกระบวนการผลิต การลดความหนาของชั้นหรือขนาดพิกเซลในพอลิเมอไรเซชันของถังแก้วเซรามิกส์สามารถสร้างฮาร์ดแวร์ที่ซับซ้อนซึ่งมีความแม่นยำยิ่งขึ้น นอกจากนี้ การผลิตเซ็นเซอร์แบบเติมแต่งอย่างสมบูรณ์จะทำให้เซ็นเซอร์เหล่านี้เข้ากันได้กับการผลิตในอวกาศ นอกจากนี้ เขายังต้องการสำรวจการใช้ปัญญาประดิษฐ์เพื่อปรับการออกแบบเซ็นเซอร์ให้เหมาะสมสำหรับกรณีการใช้งานเฉพาะ เช่น การลดมวลลงอย่างมากในขณะที่ทำให้แน่ใจว่าจะยังคงอยู่ในโครงสร้างที่ดี
งานนี้ได้รับทุนสนับสนุนบางส่วนโดย MIT โครงการนาโนเทคโนโลยี MIT-Tecnológico de Monterrey โครงการ MIT Portugal และมูลนิธิโปรตุเกสเพื่อวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี
