MIT研究人员为卫星打造了首个纯数字化制造的等离子体传感器

麻省理工学院(MIT)的科学家们为卫星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被称为迟钝电位分析器(RPA)，被在轨航天器用来确定大气层的化学成分和离子能量分布。

由于其低成本和快速生产，新传感器是CubeSats的理想选择。这些廉价、低功耗和轻量级的卫星通常用于地球高层大气的通信和环境监测。

研究小组使用一种玻璃陶瓷材料开发了RPA，这种材料比硅和薄膜涂层等传统传感器材料更就有弹性。通过在为塑料3D打印而开发的制造工艺中使用玻璃陶瓷，他们能建造具有复杂形状的传感器，进而能够承受航天器在低地球轨道上遇到的巨大温度波动。

“增材制造可以为未来的太空硬件带来巨大的变化。有些人认为，当你3D打印东西时，你必须让步于较低的性能。但我们已经证明，情况并非总是如此，”MIT微系统技术实验室MTL()的首席科学家Luis Fernando Velásquez-García指出。他是一篇介绍等离子体传感器的论文的第一作者。

跟Velásquez-García一起撰写论文的还有MTL博士后Javier Izquierdo-Reyes、研究生Zoey Bigelow及博士后Nicholas K. Lubinsky。该研究已发表在《Additive Manufacturing》上。

多用途传感器

早在1959年，RPA就被首次用于太空任务中。传感器检测漂浮在等离子体中的离子或带电粒子的能量，等离子体则是存在于地球高层大气中的分子的过热混合物。在像CubeSat这样的轨道航天器上，这些多功能的仪器测量能量并进行化学分析，这可以帮助科学家预测天气或监测气候变化。

这些传感器包含一系列带电的网状物，上面点缀着小孔。当等离子体通过这些孔时，电子和其他粒子被剥离，直到只剩下离子。这些离子产生电流，传感器对其进行测量和分析。

RPA成功的关键是对准网格的外壳结构。它必须是电绝缘的，与此同时也能承受温度的突然剧烈波动。研究人员使用了一种被称为Vitrolite的可打印的玻璃陶瓷材料，它具有这些特性。

Vitrolite在20世纪初开创了先河，经常被用于彩色瓷砖，从而成为装饰艺术建筑中常见的景观。

这种耐用的材料还可以承受高达800摄氏度的温度而不破裂，而用于半导体RPA的聚合物在400摄氏度时就开始融化。

“当你在洁净室中制作这种传感器时，你没有同样的自由度来定义材料和结构及它们如何相互作用，”Velásquez-García说道，“使这成为可能的是增材制造的最新发展。”

重新思考制造

陶瓷的3D打印过程通常涉及陶瓷粉末--用激光将其熔化成形状。然而由于激光的高热，这一过程通常会使材料变得粗糙并产生薄弱点。

相反，MIT的科学家们使用了大桶聚合，这是几十年前引入的用于聚合物或树脂的增材制造的工艺。在大桶聚合法中，通过将三维结构反复浸入液体材料的大桶中--在本例中则是Vitrolite，一次建立一层。在每一层加入后，用紫外线固化材料，然后将平台再次浸入大桶中。每一层只有100微米厚（约是人类头发的直径），其能创造出光滑、无孔隙的复杂陶瓷形状。

在数字制造中，设计文件中描述的物体可以非常复杂。这种精度使研究人员能创建具有独特形状的激光切割网格，进而可以在RPA外壳内设置孔时能得到完美排布。这使更多的离子能够通过从而导致更高分辨率的测量。

由于传感器的生产成本很低且可以快速制造，该团队制作了四个独特的设计原型。

其中一种设计在捕捉和测量广泛的等离子体方面特别有效，就像卫星在轨道上遇到的那些等离子体一样，而另一种设计则非常适合于感应极其密集和寒冷的等离子体，这些等离子体通常只能用超精密的半导体设备来测量。

这种高精度可以使3D打印的传感器应用于聚变能源研究或超音速飞行。Velásquez-García补充称，快速原型制作过程甚至可以刺激卫星和航天器设计方面的更多创新。

“如果你想创新，那么你需要能够失败并承担风险。快速成型制造是制造太空硬件的一种非常不同的方式。我可以制造太空硬件，如果它失败了，也没有关系，因为我可以非常快速和廉价地制造一个新的版本并真正迭代设计。这对研究人员来说是一个理想的沙盒，”Velásquez-García说道。

虽然Velásquez-García对这些传感器非常满意，但他希望在未来加强制造过程。在玻璃陶瓷大桶聚合中减少层的厚度或像素大小将可以创造出更加精确的复杂硬件。此外，完全增材制造的传感器将使它们跟空间制造兼容。另外，他还希望探索使用人工智能来优化传感器的设计，以满足特定的使用情况如大大减少其质量，与此同时确保其结构上保持良好。

3D打印和激光切割的硬件的性能表现跟最先进的半导体等离子体传感器一样好。由于制造过程需要一个洁净室，所以半导体等离子体传感器非常昂贵且需要数周的复杂制造。相比之下，这些3D打印的传感器可以在几天内以几十美元的价格生产。