به گفته Velásquez-García، این دقت بالا می تواند حسگرهای چاپ سه بعدی را برای استفاده در برنامه های کاربردی در تحقیقات انرژی همجوشی یا پرواز مافوق صوت فعال کند. «اگر می‌خواهید نوآوری کنید، باید بتوانید شکست بخورید و از عهده ریسک برآیید. تولید افزودنی روشی بسیار متفاوت برای ساخت سخت افزار فضایی است. من می‌توانم سخت‌افزار فضایی بسازم و اگر خراب شد، مهم نیست زیرا می‌توانم نسخه جدید را خیلی سریع و کم هزینه بسازم و واقعاً روی طرح تکرار کنم. او می‌گوید که این یک جعبه شنی ایده‌آل برای محققان است.
ولاسکز-گارسیا ظاهراً می خواهد روند ساخت را در آینده بهبود بخشد. کاهش ضخامت لایه ها یا اندازه پیکسل در پلیمریزاسیون شیشه-سرامیکی می تواند سخت افزار پیچیده ای ایجاد کند که حتی دقیق تر است. علاوه بر این، ساخت کامل حسگرها به صورت افزودنی آنها را با تولید در فضا سازگار می کند. او همچنین می‌خواهد استفاده از هوش مصنوعی را برای بهینه‌سازی طراحی حسگر برای موارد استفاده خاص، مانند کاهش شدید جرم آنها و حصول اطمینان از اینکه از نظر ساختاری سالم می‌مانند، بررسی کند.
این حسگرها شامل یک سری شبکه‌های با بار الکتریکی هستند که با سوراخ‌های ریز خال‌خالی شده‌اند. همانطور که پلاسما از سوراخ ها عبور می کند، الکترون ها و سایر ذرات از بین می روند تا زمانی که فقط یون ها باقی بمانند. این یون ها جریان الکتریکی ایجاد می کنند که حسگر آن را اندازه گیری و آنالیز می کند.
فرآیند ساخت
فرآیند پرینت سه بعدی برای سرامیک ها معمولاً شامل پودر سرامیکی است که با لیزر به آن ضربه زده می شود تا به شکل هایی در بیاید، اما این فرآیند اغلب مواد را درشت می کند و به دلیل گرمای زیاد لیزرها نقاط ضعف ایجاد می کند. در عوض، محققان MIT از پلیمریزاسیون vat استفاده کردند. با پلیمریزاسیون vat، یک ساختار سه بعدی یک لایه در یک زمان با غوطه ور کردن مکرر آن در خمره ای از مواد مایع، در این مورد – Vitrolite ساخته می شود. پس از افزودن هر لایه از اشعه ماوراء بنفش برای پخت مواد استفاده می شود و سپس سکو دوباره در خمره غوطه ور می شود. هر لایه تنها 100 میکرون ضخامت دارد (تقریباً به اندازه قطر یک موی انسان)، که امکان ایجاد اشکال سرامیکی صاف، بدون منافذ و پیچیده را فراهم می کند.
ویترولیت که در اوایل قرن بیستم پیشگام بود، اغلب در کاشی‌های رنگارنگ استفاده می‌شد که به یک منظره رایج در ساختمان‌های آرت دکو تبدیل شد. این ماده بادوام همچنین می تواند تا 800 درجه سانتیگراد را بدون شکستگی تحمل کند، در حالی که پلیمرهای مورد استفاده در RPAهای نیمه هادی در دمای 400 درجه سانتیگراد شروع به ذوب شدن می کنند.
سنسورهای همه کاره
این کار تا حدی توسط MIT، MIT-Tecnológico de Monterrey Nanotechnology Program، MIT پرتغال، و بنیاد علم و فناوری پرتغال تامین شده است.
وقتی این حسگر را در اتاق تمیز می‌سازید، میزان آزادی یکسانی برای تعریف مواد و ساختارها و نحوه تعامل آنها با یکدیگر ندارید. ولاسکوئز گارسیا گفت: آنچه این امکان را فراهم کرده است، آخرین پیشرفت ها در تولید مواد افزودنی است.
کلید موفقیت یک RPA ساختار مسکن است که مش ها را تراز می کند. باید عایق الکتریکی باشد و در عین حال بتواند در برابر نوسانات ناگهانی و شدید دما مقاومت کند. محققان MIT از یک ماده شیشه-سرامیکی قابل چاپ استفاده کردند که این ویژگی ها را نشان می دهد، به نام Vitrolite.
محققان MIT RPA ها را با استفاده از مواد شیشه ای-سرامیکی که دوام بیشتری نسبت به مواد سنسور سنتی مانند سیلیکون و پوشش های لایه نازک دارند، توسعه دادند. با استفاده از شیشه سرامیک در فرآیند ساخت که برای چاپ سه بعدی با پلاستیک توسعه داده شد، آنها توانستند حسگرهایی با اشکال پیچیده ایجاد کنند که می توانند نوسانات دمایی گسترده ای را که یک فضاپیما در مدار پایین زمین با آن مواجه می شود، تحمل کند.
«تولید افزودنی می تواند تفاوت بزرگی در آینده سخت افزار فضایی ایجاد کند. برخی از مردم فکر می کنند که وقتی چیزی را به صورت سه بعدی پرینت می کنید، باید عملکرد کمتری را قبول کنید. اما ما نشان دادیم که همیشه اینطور نیست. گاهی اوقات چیزی برای معاوضه وجود ندارد.
در ساخت دیجیتال، اشیاء توصیف شده در یک فایل طراحی می توانند بسیار پیچیده باشند. این دقت به محققان این امکان را می‌دهد تا مش‌های برش لیزری با اشکال منحصربه‌فرد ایجاد کنند تا سوراخ‌ها زمانی که در داخل محفظه RPA قرار می‌گیرند، کاملاً در یک راستا قرار گیرند. این باعث می شود یون های بیشتری عبور کنند که منجر به اندازه گیری های با وضوح بالاتر می شود.
خاویر ایزکوئیردو ریس (نویسنده اصلی و فوق دکترای MTL)، زوئی بیگلو (دانشجوی فارغ التحصیل)، و نیکلاس کی لوبینسکی (فوق دکترا) به ولاسکز-گارسیا در این مقاله می پیوندند. تحقیق در مجله معتبر “Additive Manufacturing” منتشر شده است.
یک RPA برای اولین بار در یک ماموریت فضایی در سال 1959 مورد استفاده قرار گرفت. حسگرها انرژی را در یون ها یا ذرات باردار شناور در پلاسما، که ترکیبی فوق گرم از مولکول های موجود در جو فوقانی زمین است، تشخیص می دهند. بر روی یک فضاپیمای در حال گردش مانند CubeSat، این ابزار همه کاره انرژی را اندازه گیری می کند و تجزیه و تحلیل های شیمیایی انجام می دهد که می تواند به دانشمندان در پیش بینی آب و هوا یا نظارت بر تغییرات آب و هوا کمک کند.
محققان MIT اولین حسگرهای پلاسمایی کاملاً دیجیتالی را برای فضاپیماهای در حال گردش ایجاد کردند. این حسگرهای پلاسما که به آنالایزرهای پتانسیل عقب‌نشینی (RPAs) نیز معروف هستند، توسط ماهواره‌ها برای تعیین ترکیب شیمیایی و توزیع انرژی یونی جو استفاده می‌شوند. سخت افزار پرینت سه بعدی و برش لیزری و همچنین حسگرهای نیمه هادی پلاسمای پیشرفته که در اتاق تمیز تولید می شوند انجام می شود – که آنها را گران می کند و به هفته ها ساخت پیچیده نیاز دارد. در مقابل، حسگرهای پرینت سه بعدی را می توان با ده ها دلار در عرض چند روز تولید کرد.
از آنجایی که تولید این حسگرها ارزان بود و می‌توانستند به سرعت ساخته شوند، تیم محققان MIT چهار طرح منحصربه‌فرد را نمونه‌سازی کردند. در حالی که یک طرح به ویژه در گرفتن و اندازه گیری طیف وسیعی از پلاسماها موثر بود، مانند مواردی که ماهواره در مدار با آن مواجه می شود، دیگری برای سنجش پلاسمای بسیار متراکم و سرد که معمولاً فقط با استفاده از دستگاه های نیمه هادی فوق دقیق قابل اندازه گیری هستند، مناسب بود.
به دلیل هزینه کم و تولید سریع، سنسورها برای CubeSats ایده آل هستند – ماهواره های ارزان قیمت، کم مصرف و سبک وزن که اغلب برای ارتباطات و نظارت بر محیط در جو فوقانی زمین استفاده می شوند.