科學家 3D 列印適用人造衛星的高精度等離子體感測器

據報道，目前，美國麻省理工學院最新開發 3D 列印精準等離子體感測器，該設備成本較低，且易於製造，這些設備可以幫助科學家預測天氣或研究氣候變遷。 此等離子體感測器也被稱為「延遲電位分析儀 (RPAs)」, 被人造衛星等軌道航天器用於確定大氣化學成分和離子能量分佈。

3D 列印、雷射切割流程製造的半導體等離子體感測器，由於該過程需要無塵環境，導致半導體等離子體感測器成本昂貴，且需要幾個星期的複雜製造過程。相較之下，麻省理工學院最新研發的等離子體感測器僅需幾天時間製造，成本數十美元。

由於成本較低、生產速度快，這種新型感測器是立方體衛星的理想選擇，立方體衛星成本低廉、低功率且重量輕，經常用於地球上層大氣的通訊和環境監測。

該研究團隊使用比矽和薄膜塗層等傳統感測器材料更有彈性的玻璃陶瓷材料開發了新型等離子體感測器，透過在塑膠3D 列印過程中使用玻璃陶瓷，能夠製造出形狀複雜的感測器，它們能夠承受太空船在近地軌道上可能遇到的巨大溫度波動。

研究報告資深作者、麻省理工學院微系統技術實驗室(MTL) 首席科學家路易斯・費爾南多・委拉斯奎茲-加西亞(Luis Fernando Velasquez-Garcia) 說：「增材製造會在未來太空硬體領域產生重大影響，有些人認為，當3D 列印一些物件時，必須認可其性能較低，但我們現在已證明，情況並非總是這樣。」目前這項最新研究報告發表在近期出版的《增材製造雜誌》上。

多功能感測器

等離子體感測器首次用於太空​​任務是1959 年，它能探測到漂浮在等離子體中的離子或帶電粒子的能量，等離子體存在於地球上層大氣中的過熱分子混合物。在立方體衛星這樣的軌道航天器上，等離子體感測器可以測量能量變化，並進行化學分析，有助於科學家預測天氣或監測氣候變遷。

該感測器包含一系列佈滿小孔的帶電網格，當等離子體通過小孔時，電子和其他粒子將被剝離，直到僅剩下離子，當這些離子產生電流，感測器將對其進行測量和分析。

等離子體感測器應用成功的關鍵是對齊網格的孔狀結構，它必須具有電絕緣性，同時能夠承受溫度的劇烈波動，研究人員使用一種可3D 列印的玻璃陶瓷材料— —Vitrolite，它滿足以上特性。據悉，Vitrolite 材料最早出現於 20 世紀初，常應用於彩色磁磚設計中，成為裝飾藝術建築中最常見的材料。

持續耐用的 Vitrolite 材料可承受高達 800 攝氏度的高溫而不分解，而集成電路結構的等離子體感測器中的高分子材料會在 400 攝氏度時開始熔化。加西亞說：「當工作人員在無塵室中製造這種感測器時，他們不會有相同的自由度來定義材料和結構，以及它們是如何相互作用，但這可能促成積層製造的最新發展。」

重新認識等離子體感測器的3D 列印過程

陶瓷材料3D 列印過程通常涉及雷射轟擊陶瓷粉末，使其融合成為各種形狀結構，然而，由於雷射釋放的高熱量，該製造過程往往會使材料變得粗糙，並產生瑕疵點。

然而，麻省理工學院的科學家在該製造過程中使用了還原性高分子聚合反應，這是幾十年前引入的一種使用聚合物或樹脂進行增材製造的工藝，在還原聚合技術中，透過重複將材料浸入盛有Vitrolite 液體材料的還原缸，浸入一次會形成一層三維結構，每一層結構形成後，再用紫外線將材料固化，每層結構僅100 微米厚度(相當於人類頭髮直徑)，最終反覆浸入Vitrolite 液體材料，將形成光滑、無孔、複雜的陶瓷結構。

在數位化製造流程中，設計文件中描述的製造物件可能非常複雜，這種高精度設計需要研究人員使用獨特結構的雷射切割網格，當列印完成後安裝在等離子體感測器外殼中，小孔狀結構能完美排列，使更多的離子通過其中，從而獲得更高精度的測量數據。

由於此感測器生產成本低，且製作速度快，研究團隊製作了 4 個獨特的設計原型。其中一個設計原型在捕捉和測量大範圍等離子體方面特別有效，尤其適用於衛星軌道測量等離子體，另一個設計原型非常適合測量密度極高、溫度極低的等離子體，這通常只能用於超精密半導體裝置測量。

這種高精度設計可使 3D 列印感測器應用於聚變能研究或超音速飛行，加西亞補充稱，這種快速 3D 列印流程甚至可以帶來衛星和太空船設計領域的更多創新。

加西亞說：「如果你希望不斷創新，就必須面對失敗並承擔相應的風險，積層製造是製造太空設備的另一種方式，我們可以製造太空裝置，即使這個過程失敗了，也沒什麼關係，因為我們仍能快速且廉價地製作一個新的版本，並在設計上進行迭代更新。對於研究人員而言，這是一非常理想的沙箱效應。」

據悉，儘管加西亞對最新設計的等離子體感測器感到很滿意，但他希望未來不斷提高製造工藝，在玻璃陶瓷缸式聚合過程中，減少層厚度或像素大小，進而創造出精準度更高的複雜裝置。此外，完全疊加製造流程可使它們與空間製造不斷相容，他還希望探索使用人工智慧不斷優化感測器設計，從而適應特定的應用場景，例如：在確保結構穩定的同時大幅減少感測器重量。

以上是科學家 3D 列印適用人造衛星的高精度等離子體感測器的詳細內容。更多資訊請關注PHP中文網其他相關文章！