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Capteurs d’impression 3D pour les chercheurs de satellites

27 juillet 2022

(Nouvelles de Nanwerk) Des scientifiques du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont créé les premiers capteurs à plasma entièrement fabriqués numériquement pour un vaisseau spatial en orbite. Ces capteurs à plasma, également connus sous le nom d’analyseurs de potentiel arrière (RPA), sont utilisés par les satellites pour déterminer la composition chimique et la distribution de l’énergie ionique dans l’atmosphère.

Des dispositifs imprimés et découpés au laser sont mis en œuvre ainsi que les derniers capteurs plasma semi-conducteurs fabriqués en salle blanche, ce qui les rend très coûteux et nécessite des semaines de fabrication complexe. En revanche, les capteurs imprimés en 3D peuvent être produits pour des dizaines de dollars en quelques jours.

En raison de leur faible coût et de leur rapidité de production, les capteurs sont idéaux pour les CubeSats. Ces satellites peu coûteux, de faible puissance et légers sont souvent utilisés pour les communications et la surveillance de l’environnement dans la haute atmosphère terrestre.

Les chercheurs ont développé des RPA en utilisant un matériau céramique vitreux qui est plus durable que les matériaux de détection traditionnels tels que le silicium et les couches minces. En utilisant de la vitrocéramique dans un processus de fabrication développé pour l’impression 3D sur du plastique, il était possible de créer des capteurs de formes complexes capables de résister aux fortes fluctuations de température que les engins spatiaux rencontreraient en orbite terrestre inférieure. Capteur plasma imprimé en 3D pour vaisseau spatial en orbite Des chercheurs du MIT ont présenté un capteur à plasma imprimé en 3D pour un vaisseau spatial en orbite qui fonctionne aussi bien que des capteurs à semi-conducteurs plus coûteux. Ces capteurs durables et précis peuvent être utilisés efficacement sur des satellites peu coûteux et légers connus sous le nom de CubeSats, qui sont généralement utilisés pour la surveillance de l’environnement ou les prévisions météorologiques. (Photo : MIT)

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« Une fabrication supplémentaire pourrait faire une énorme différence pour l’avenir du matériel spatial. Certaines personnes pensent que lorsque vous imprimez quelque chose en 3D, vous devez faire des compromis sur des performances inférieures. Mais nous avons montré que ce n’est pas toujours le cas. Dit Luis Fernando Velázquez Garcia, Scientifique principal aux Microsystems Laboratories, technologue (MTL) au Massachusetts Institute of Technology (MTL) et auteur principal d’un article présentant les capteurs à plasma : « Parfois, il n’y a rien à échanger.

Rejoint par Velásquez-García dans l’article, auteur principal et postdoc MTL Javier Izquierdo-Reyes; l’étudiante diplômée Zoe Bigelow; Postdoc Nicholas K. Lubinsky. La recherche a été publiée dans la fabrication additive (« Analyseurs de potentiel d’inhibition compacts activés par la polymérisation de pools à valeur ajoutée en vitrocéramique pour CubeSat et diagnostics de plasma in vitro »).

Capteurs polyvalents

La RPA a été utilisée pour la première fois dans une mission spatiale en 1959. Les capteurs détectent l’énergie des ions, ou particules chargées, qui flottent dans le plasma, un mélange extrêmement chaud de particules dans la haute atmosphère terrestre. Sur un vaisseau spatial en orbite comme le CubeSat, les instruments polyvalents mesurent l’énergie et effectuent des analyses chimiques qui peuvent aider les scientifiques à prévoir le temps ou à surveiller le changement climatique.

Les capteurs contiennent une série de grilles chargées électriquement parsemées de minuscules trous. Lorsque le plasma passe à travers les trous, les électrons et autres particules sont éliminés jusqu’à ce qu’il ne reste plus que des ions. Ces ions créent un courant électrique que le capteur mesure et analyse.

La clé du succès de RPA est la structure de logement qui aligne les réseaux. Il doit être un isolant électrique tout en étant capable de résister à de brusques variations extrêmes de température. Les chercheurs ont utilisé un matériau céramique vitreux imprimable qui présente ces propriétés, connu sous le nom de Vitrolite.

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Vitrolite a été lancé au début des années 1900, souvent utilisé dans les carreaux colorés qui sont devenus un spectacle courant dans les bâtiments Art déco.

Le matériau durable peut également résister à des températures allant jusqu’à 800°C sans se fissurer, tandis que les polymères utilisés dans les semi-conducteurs commencent à fondre à 400°C.

« Lorsque vous fabriquez ce capteur dans la salle blanche, vous n’avez pas le même degré de liberté pour déterminer les matériaux et les structures et la façon dont ils interagissent ensemble. Ce qui a rendu cela possible, ce sont les dernières avancées de la fabrication additive », explique Velazquez-Garcia. .

Repenser la fabrication

Le processus d’impression 3D pour la céramique implique généralement une poudre de céramique qui est frappée par un laser pour la fusionner en formes, mais ce processus laisse souvent le matériau rugueux et crée des faiblesses en raison de la chaleur élevée du laser.

Au lieu de cela, les chercheurs du MIT ont utilisé la polymérisation en auge, un processus introduit il y a des décennies pour fabriquer des additifs avec des polymères ou des résines. Avec la polymérisation en auge, une structure tridimensionnelle est construite une couche à la fois en l’immergeant à plusieurs reprises dans un récipient de matériau liquide, dans ce cas Vitrolite. La lumière ultraviolette est utilisée pour durcir le matériau après l’ajout de chaque couche, puis la plate-forme est à nouveau immergée dans l’évier. Chaque couche ne mesure que 100 microns d’épaisseur (environ le diamètre d’un cheveu humain), permettant la création de formes céramiques lisses, sans pores et complexes.

En fabrication numérique, les objets décrits dans le dossier de conception peuvent être très complexes. Cette précision a permis aux chercheurs de créer des grilles découpées au laser avec des formes uniques afin que les trous s’alignent parfaitement lorsqu’ils sont placés à l’intérieur de la coque RPA. Cela permet à plus d’ions de passer à travers, ce qui se traduit par des mesures de plus grande précision.

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Parce que les capteurs étaient bon marché à produire et pouvaient être fabriqués très rapidement, l’équipe a prototypé quatre conceptions uniques.

Alors qu’une conception était particulièrement efficace pour capturer et mesurer une large gamme de plasma, comme celle qu’un satellite rencontrerait en orbite, une autre était bien adaptée à la détection de plasma froid extrêmement dense, qui ne peut généralement être mesuré qu’avec des semi-conducteurs ultra-précis. dispositifs.

Cette haute résolution pourrait permettre l’impression de capteurs en 3D pour des applications dans la recherche sur l’énergie de fusion ou le vol supersonique. Velásquez-García ajoute que le processus de modélisation rapide pourrait stimuler davantage l’innovation dans la conception de satellites et d’engins spatiaux.

« Si vous voulez innover, vous devez être capable d’échouer et de prendre des risques. La fabrication additive est une manière très différente de fabriquer du matériel spatial. Je peux fabriquer du matériel spatial et si j’échoue, cela n’a pas d’importance car je peux faire un nouvelle version très rapidement et à peu de frais, et je répète vraiment la conception. » C’est un bac à sable idéal pour les chercheurs.

Alors que Velásquez-García est satisfait de ces capteurs, à l’avenir, il souhaite dynamiser le processus de fabrication. La réduction de l’épaisseur des couches ou de la taille des pixels de la polymérisation de la cuve vitrocéramique peut créer des dispositifs complexes plus précis. De plus, la fabrication complémentaire des capteurs les rendra compatibles avec une fabrication dans l’espace. Il souhaite également explorer l’utilisation de l’IA pour améliorer la conception du capteur pour des cas d’utilisation spécifiques, comme réduire considérablement sa masse tout en s’assurant qu’il reste structurellement solide.