Các nhà nghiên cứu từ Viện Công nghệ Massachusetts (MIT) đã nâng cao Các tàu thăm dò plasma quay quanh quỹ đạo đầu tiên trong một tàu vũ trụ được sản xuất hoàn toàn bằng kỹ thuật số. Các vệ tinh sử dụng các cảm biến plasma này, còn được gọi là máy phân tích độ trễ điện áp (RPA), để đánh giá thành phần hóa học của khí quyển và sự phân bố năng lượng ion.

“Sản xuất phụ gia có thể tạo ra sự khác biệt lớn đối với tương lai của phần cứng không gian. Một số người nghĩ rằng khi bạn in 3D thứ gì đó, bạn phải thỏa hiệp về hiệu suất thấp hơn. Nhưng chúng tôi đã chứng minh rằng điều này không phải lúc nào cũng đúng”, Luis Fernando nói Velázquez-Garcia, Nhà khoa học chính của Phòng thí nghiệm Công nghệ Hệ thống vi mô (MTL) tại Viện Công nghệ Massachusetts (MTL) và là tác giả cấp cao của bài báo giới thiệu về cảm biến plasma: “Đôi khi không có gì phải đánh đổi.”

Các thiết bị được in bằng laser và cắt bằng laser đã vượt xa các cảm biến plasma bán dẫn trong phòng sạch mới nhất, rất đắt tiền và mất nhiều tuần để hoàn thành. Mặt khác, các cảm biến in 3D có thể được sản xuất trong vài ngày với giá hàng chục đô la.

Cảm biến lý tưởng cho CubeSats do chi phí thấp và sản xuất nhanh. Các vệ tinh năng lượng thấp, chi phí thấp này thường được sử dụng để liên lạc và giám sát môi trường trong tầng khí quyển trên của Trái đất.

Các nhà nghiên cứu đã tạo ra RPA từ vật liệu gốm thủy tinh bền hơn các vật liệu cảm ứng truyền thống như silicon và màng mỏng. Sử dụng gốm thủy tinh trong quy trình sản xuất được phát triển để in 3D bằng nhựa, họ có thể tạo ra các cảm biến có hình dạng phức tạp có thể chịu được sự dao động nhiệt độ rộng mà tàu vũ trụ ở quỹ đạo thấp hơn Trái đất sẽ gặp phải.

Các cảm biến bao gồm một loạt các lưới tích điện với các lỗ nhỏ. Các electron và các hạt khác bị tước đi khi plasma đi qua các lỗ, chỉ còn lại các ion. Các ion này tạo ra một dòng điện mà cảm biến phát hiện và phân tích.

Cấu trúc nhà sắp xếp các mạng là rất quan trọng cho sự thành công của công nghệ RPA. Nó phải là chất cách điện đồng thời có khả năng chịu được sự dao động nhiệt độ đột ngột. Các nhà nghiên cứu đã sử dụng Vitrolite, một vật liệu gốm thủy tinh có thể in được có những đặc tính này.

Bột gốm thường được đánh bằng tia laser để kết hợp thành các hình dạng trong in 3D, nhưng quá trình này thường khiến vật liệu thô ráp và tạo ra các điểm yếu do nhiệt độ cao từ tia laser. Thay vào đó, các nhà nghiên cứu của MIT đã sử dụng quá trình trùng hợp đáy, một quy trình hàng thập kỷ để sản xuất các chất phụ gia với polyme hoặc nhựa. Cấu trúc 3D được tạo ra từng lớp một bằng cách sử dụng quá trình trùng hợp dạng máng bằng cách nhúng nó nhiều lần vào một thùng chứa vật liệu lỏng, trong trường hợp này là Vitrolite.

Sau khi mỗi lớp được thêm vào, ánh sáng tia cực tím được sử dụng để xử lý vật liệu, và nền tảng được nhúng vào bồn rửa một lần nữa. Bởi vì mỗi lớp chỉ dày 100 micron (xấp xỉ đường kính sợi tóc người) nên có thể tạo ra những hình dạng gốm tinh xảo, không có lỗ rỗng và mịn.

Các đối tượng được mô tả trong hồ sơ thiết kế có thể rất phức tạp trong chế tạo kỹ thuật số. Các nhà nghiên cứu đã có thể tạo ra các lưới cắt bằng laser với hình dạng độc đáo, cho phép các khe xếp thẳng hàng hoàn hảo khi đặt bên trong vỏ RPA. Nhiều ion hơn có thể đi qua, dẫn đến các phép đo có độ chính xác cao hơn.

Bởi vì các cảm biến được sản xuất rẻ và có thể được sản xuất nhanh chóng, nhóm nghiên cứu đã tạo mẫu bốn thiết kế riêng biệt. Trong khi một thiết kế đặc biệt hiệu quả trong việc thu và đo nhiều loại plasma, chẳng hạn như plasma do vệ tinh bắt gặp trên quỹ đạo, một thiết kế khác rất phù hợp để cảm nhận các plasmas cực kỳ dày đặc, lạnh lẽo, thường chỉ có thể được đo bằng các thiết bị bán dẫn siêu mịn .

Mức độ chính xác này có thể cho phép các cảm biến in 3D được sử dụng trong nghiên cứu năng lượng nhiệt hạch hoặc bay siêu âm. Tạo mẫu nhanh có thể khuyến khích nhiều đổi mới hơn trong thiết kế vệ tinh và tàu vũ trụ.