Sensor Cetak 3D Peneliti Untuk Satelit - Ilmuwan MIT telah menciptakan sensor plasma pertama yang sepenuhnya diproduksi secara digital untuk mengorbit pesawat ruang angkasa. Sensor plasma ini, juga dikenal sebagai penganalisis potensi perlambatan (RPA), digunakan oleh satelit untuk menentukan komposisi kimia dan distribusi energi ion di atmosfer.
Perangkat keras cetak 3D dan potong laser bekerja serta sensor plasma semikonduktor canggih yang diproduksi di ruang bersih, yang membuatnya mahal dan membutuhkan berminggu-minggu fabrikasi yang rumit. Sebaliknya, sensor cetak 3D dapat diproduksi dengan harga puluhan dolar dalam hitungan hari.
Karena biaya rendah dan produksi yang cepat, sensor ini ideal untuk CubeSats. Satelit yang murah, berdaya rendah , dan ringan ini sering digunakan untuk komunikasi dan pemantauan lingkungan di atmosfer atas bumi.
Para peneliti mengembangkan RPA menggunakan bahan kaca-keramik yang lebih tahan lama daripada bahan sensor tradisional seperti silikon dan lapisan film tipis. Dengan menggunakan kaca-keramik dalam proses fabrikasi yang dikembangkan untuk pencetakan 3D dengan plastik, ada kemampuan untuk membuat sensor dengan bentuk kompleks yang dapat menahan perubahan suhu yang luas yang akan ditemui pesawat ruang angkasa di orbit Bumi yang lebih rendah.
"Manufaktur aditif dapat membuat perbedaan besar di masa depan perangkat keras luar angkasa. Beberapa orang berpikir bahwa ketika Anda mencetak sesuatu 3D, Anda harus mengakui kinerja yang lebih sedikit. Tapi kami telah menunjukkan bahwa tidak selalu demikian. Terkadang tidak ada yang perlu dilakukan. trade off," kata Luis Fernando Velásquez-GarcÃa, ilmuwan utama di Microsystems Technology Laboratories (MTL) MIT dan penulis senior makalah yang menyajikan sensor plasma.
Bergabung dengan Velásquez-GarcÃa di atas kertas adalah penulis utama dan postdoc MTL Javier Izquierdo-Reyes; mahasiswa pascasarjana Zoey Bigelow; dan pascadoktoral Nicholas K. Lubinsky. Penelitian ini dipublikasikan di Additive Manufacturing.
Sensor Serbaguna
Sebuah RPA pertama kali digunakan dalam misi luar angkasa pada tahun 1959. Sensor mendeteksi energi dalam ion, atau partikel bermuatan, yang mengambang di plasma, yang merupakan campuran molekul super panas yang ada di atmosfer atas bumi. Di atas pesawat ruang angkasa yang mengorbit seperti CubeSat, instrumen serbaguna mengukur energi dan melakukan analisis kimia yang dapat membantu para ilmuwan memprediksi cuaca atau memantau perubahan iklim.
Sensor berisi serangkaian jerat bermuatan listrik yang dihiasi dengan lubang-lubang kecil. Saat plasma melewati lubang, elektron dan partikel lain dilucuti sampai hanya ion yang tersisa. Ion-ion ini menciptakan arus listrik yang diukur dan dianalisis oleh sensor.
Kunci keberhasilan RPA adalah struktur rumah yang menyelaraskan mata jaring. Itu harus isolasi listrik sementara juga mampu menahan perubahan suhu yang tiba-tiba dan drastis. Para peneliti menggunakan bahan kaca-keramik yang dapat dicetak yang menampilkan sifat-sifat ini, yang dikenal sebagai Vitrolite.
Dipelopori pada awal abad ke-20, Vitrolite sering digunakan pada ubin warna-warni yang menjadi pemandangan umum di gedung-gedung art deco.
Bahan yang tahan lama juga dapat menahan suhu setinggi 800 derajat Celcius tanpa rusak, sedangkan polimer yang digunakan dalam RPA semikonduktor mulai meleleh pada 400 derajat Celcius.
"Ketika Anda membuat sensor ini di ruang bersih, Anda tidak memiliki tingkat kebebasan yang sama untuk menentukan bahan dan struktur dan bagaimana mereka berinteraksi bersama. Apa yang memungkinkan ini adalah perkembangan terbaru dalam pembuatan aditif," kata Velásquez-GarcÃa.
Memikirkan Kembali Fabrikasi
Proses pencetakan 3D untuk keramik biasanya melibatkan bubuk keramik yang dipukul dengan laser untuk menggabungkannya menjadi bentuk, tetapi proses ini sering kali membuat material menjadi kasar dan menciptakan titik lemah karena panas yang tinggi dari laser.
Sebagai gantinya, para peneliti MIT menggunakan polimerisasi tong, sebuah proses yang diperkenalkan beberapa dekade lalu untuk pembuatan aditif dengan polimer atau resin. Dengan polimerisasi tong, struktur 3D dibangun satu lapis pada satu waktu dengan merendamnya berulang kali ke dalam tong bahan cair, dalam hal ini Vitrolite.
Sinar ultraviolet digunakan untuk menyembuhkan bahan setelah setiap lapisan ditambahkan, dan kemudian platform terendam lagi dalam tong. Setiap lapisan hanya setebal 100 mikron (kira-kira diameter rambut manusia), memungkinkan penciptaan bentuk keramik yang halus, bebas pori, dan kompleks.
Dalam manufaktur digital, objek yang dijelaskan dalam file desain bisa sangat rumit. Ketepatan ini memungkinkan para peneliti untuk membuat mata jaring yang dipotong laser dengan bentuk yang unik sehingga lubang-lubang tersebut berbaris dengan sempurna saat dipasang di dalam rumah RPA.
Ini memungkinkan lebih banyak ion untuk melewatinya, yang mengarah ke pengukuran resolusi yang lebih tinggi. Karena sensor itu murah untuk diproduksi dan dapat dibuat dengan sangat cepat, tim membuat prototipe empat desain unik.
Sementara satu desain sangat efektif dalam menangkap dan mengukur berbagai plasma, seperti yang akan ditemui satelit di orbit, yang lain sangat cocok untuk merasakan plasma yang sangat padat dan dingin, yang biasanya hanya dapat diukur menggunakan perangkat semikonduktor ultrapresisi.
Presisi tinggi ini dapat mengaktifkan sensor cetak 3D untuk aplikasi dalam penelitian energi fusi atau penerbangan supersonik. Proses pembuatan prototipe yang cepat bahkan dapat memacu lebih banyak inovasi dalam desain satelit dan pesawat ruang angkasa, tambah Velásquez-GarcÃa.
"Jika Anda ingin berinovasi, Anda harus mampu gagal dan menanggung risikonya. Manufaktur aditif adalah cara yang sangat berbeda untuk membuat perangkat keras luar angkasa. Saya dapat membuat perangkat keras ruang angkasa dan jika gagal, tidak masalah karena saya dapat membuat perangkat keras ruang angkasa. versi baru dengan sangat cepat dan murah, dan benar-benar mengulangi desainnya. Ini adalah kotak pasir yang ideal bagi para peneliti," katanya.
Sementara Velásquez-GarcÃa senang dengan sensor ini, di masa depan ia ingin meningkatkan proses fabrikasi. Mengurangi ketebalan lapisan atau ukuran piksel dalam polimerisasi tong kaca-keramik dapat menciptakan perangkat keras kompleks yang bahkan lebih presisi.
Selain itu, pembuatan sensor yang sepenuhnya aditif akan membuatnya kompatibel dengan manufaktur dalam ruang. Dia juga ingin mengeksplorasi penggunaan kecerdasan buatan untuk mengoptimalkan desain sensor untuk kasus penggunaan tertentu, seperti sangat mengurangi massa mereka sambil memastikan mereka tetap sehat secara struktural.
