科学者が衛星用の高精度プラズマセンサーを 3D プリント

報道によると、米国のマサチューセッツ工科大学は最近、3D プリントされた高精度プラズマ センサーを開発しました。このデバイスは低コストで製造が簡単です。これらのデジタル デバイスは、科学者が天気を予測したり、気候変動を研究したりするのに役立ちます。 「遅延電位分析装置 (RPA)」としても知られるプラズマ センサーは、スプートニクなどの軌道周回宇宙船で大気の化学組成とイオン エネルギーの分布を測定するために使用されます。

半導体プラズマ センサーは 3D プリンティングとレーザー切断プロセスを通じて製造されますが、このプロセスでは塵のない環境が必要となるため、半導体プラズマ センサーは高価であり、完成までに数週間を要します。 . 複雑な製造プロセス。それに比べて、MIT の最新のプラズマ センサーは製造にわずか数日かかり、コストは数十ドルです。

この新しいセンサーは、低コストで生産速度が速いため、低コスト、低電力、軽量であり、地球上層部の通信や環境監視によく使用されるキューブサットにとって理想的な選択肢です。雰囲気。

研究チームは、シリコンや薄膜コーティングなどの従来のセンサー材料よりも弾性の高いガラスセラミック材料を使用した新しいタイプのプラズマセンサーを開発しました。プラスチック 3D プリンティングプロセスでガラスセラミックを使用することで、複雑な形状のセンサーは、宇宙船が地球低軌道で遭遇する可能性のある大きな温度変動に耐えることができます。

この研究の上級著者であり、MIT マイクロシステム技術研究所 (MTL) の主任科学者であるルイス フェルナンド ベラスケス ガルシア氏は、次のように述べています。 「一部のオブジェクトを 3D プリントするときは、パフォーマンスの低下を許容する必要があると考えられていますが、これが常に当てはまるわけではないことが今回証明されました。」 最新の研究レポートは、最近 Journal of Additive Manufacturing に掲載されました。

多機能センサー

プラズマ センサーは、1959 年に初めて宇宙ミッションで使用され、地球上に存在するプラズマ中に浮遊するイオンや荷電粒子のエネルギーを検出できます。高層大気圏で。 CubeSat のような周回宇宙船では、プラズマ センサーがエネルギーの変化を測定し、化学分析を行うことができ、科学者が天気を予測したり、気候変動を監視したりするのに役立ちます。

センサーには、小さな穴で満たされた一連の帯電グリッドが含まれています。プラズマが小さな穴を通過すると、電子とその他の粒子が取り除かれ、イオンだけが残ります。これらのイオンが電流を生成すると、センサーがそれを測定して分析します。

プラズモニック センサー アプリケーションを成功させる鍵は、穴のような構造の整列したグリッドであり、電気的に絶縁されていると同時に、急激な温度変動に耐えることができる必要があります。研究者らは、3D 印刷可能なガラス セラミック材料を使用しました。上記の特性を満たすビトロライト。ビトロライト素材は 20 世紀初頭に初めて登場し、カラフルなセラミック タイルのデザインによく使用され、アールデコ建築で最も一般的な素材になったと報告されています。

耐久性のある Vitrolite 材料は、分解することなく摂氏 800 度までの温度に耐えることができますが、集積回路構造のプラズマ センサーのポリマー材料は摂氏 400 度で溶け始めます。 「作業員がクリーンルームでこのセンサーを構築する場合、材料と構造、およびそれらがどのように相互作用するかを定義する同じ自由はありません。しかし、それが積層造形の最新の発展につながる可能性があります。」とガルシア氏は述べた。

プラズマ センサーの 3D プリンティング プロセスを再理解する

セラミック材料の 3D プリンティング プロセスでは、通常、セラミック パウダーをレーザー照射してさまざまな形状の構造に融合します。リリース この製造プロセスは高熱を伴うため、素材が荒れたり、傷が生じたりする傾向があります。

しかし、マサチューセッツ工科大学の科学者らは、製造プロセスで還元重合を使用しました。このプロセスは、付加製造にポリマーまたは樹脂を使用する数十年前に導入されたプロセスです。還元重合技術では、材料は、ビトロライトを含む還元タンクに繰り返し浸漬されます。液体材料です。浸漬すると、三次元構造の層が形成されます。構造の各層が形成された後、材料は紫外線で硬化されます。構造の各層の厚さはわずか 100 ミクロンです（直径に相当します）。人間の髪の毛)、そして最終的に Vitrolite 液体材料に繰​​り返し浸漬すると、滑らかで非多孔質の複雑なセラミック構造が形成されます。

デジタル製造プロセスでは、設計書に記載された製造対象物が非常に複雑になる場合があり、この高精度な設計を行うために、研究者はプラズマ上に設置された独自構造のレーザーカットメッシュを使用する必要があります。印刷が完了したセンサーハウジングに小さな穴のような構造を完璧に配置することで、より多くのイオンが通過できるようになり、より高精度の測定データが得られます。

センサーは低コストで迅速に製造できるため、研究チームは 4 つの独自の設計プロトタイプを作成しました。 1 つの設計プロトタイプは、大規模なプラズマ、特に衛星軌道調査プラズマの捕捉と測定に特に効果的であり、もう 1 つの設計プロトタイプは、通常はウルトラプラズマでのみ可能である、超高密度で極低温のプラズマの測定に適しています。精密な半導体デバイスの測定。

この高精度設計により、3D プリントされたセンサーを核融合エネルギー研究や超音速飛行に使用できるようになり、ガルシア氏は、この高速 3D プリントプロセスは衛星や宇宙船の設計における更なる革新につながる可能性があると付け加えました。

ガルシア氏は次のように述べています。「革新を続けたいなら、失敗に直面し、それに伴うリスクを負わなければなりません。積層造形は宇宙機器を作るもう一つの方法です。たとえプロセスが間違っていても、私たちは宇宙機器を作ることができます」 「失敗しても、それは問題ではありません。なぜなら、新しいバージョンを迅速かつ安価に作成し、設計を繰り返すことができるからです。研究者にとって、これは理想的なサンドボックス効果です。」

Garcia 氏は非常に優れているものの、次のように報告されています。プラズマ センサーの最新の設計には満足しているため、今後も製造プロセスを継続的に改善し、ガラス セラミック シリンダー重合プロセス中の層の厚さまたはピクセル サイズを縮小し、それによってより正確なセンサーの複雑なデバイスを作成したいと考えています。さらに、完全な積層造形プロセスにより、宇宙製造との継続的な互換性を実現できるほか、構造的安定性を確保しながらセンサーの重量を大幅に削減するなど、特定のアプリケーション シナリオに適応するセンサー設計を継続的に最適化するための人工知能の使用も検討したいと考えています。

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