麻省理工学院科学家3D打印卫星传感器，用于预测天气或研究气候变化

2022年7月29日，南极熊获悉，来自麻省理工学院（MIT）的研究人员已经成功地3D打印出第一个完全数字化制造的等离子体传感器，可应用到太空卫星上。他们使用立体光聚合法来制造这些等离子体传感器，它们也被称为延缓电位分析器（RPA），使制造商能够以比以往更快和更便宜的方式生产它们。科学家们希望借助它确定大气的化学成分和离子能量分布，进而达到预测天气或监测气候变化的目的。

自从航空航天领域发现3D打印的好处以来，无数的新项目和发明不断涌现，使整个行业比以往任何时候都更进一步。增材制造促使科学家和工程师们找到了利用这些技术发挥自身优势的渠道，正如麻省理工学院科学家的这一最新发现所显示的。在最近发表的一篇论文中，这所北美著名大学的研究人员宣布，他们已经为CubeSats等轨道航天器创造了完全数字化制造的等离子体传感器。这些小而轻的卫星，与其他航天器相比，价格相对低廉，主要用于通信或环境监测上。

照片来源：麻省理工学院

这些新推出的3D打印传感器之所以如此有趣，是由于使用了光聚合技术而不是激光增材工艺，它们可以比其他传感器更快、更短地生产。通常情况下，传感器的生产需要几周的时间，并且需要特殊的要求，如无尘室，才能生产。就科学和制造而言，洁净室是一种受控环境，完全没有灰尘、空气中的微生物和气溶胶颗粒等污染物，这样的严格要求使这个过程既昂贵又费时。麻省理工学院微系统技术实验室（MTL）的首席科学家Luis Fernando Velásquez-García解释说："当你在洁净室中制作这种传感器时，你没有相同的自由度来定义材料和结构以及它们如何相互作用。使之成为可能的是增材制造的最新发展。

制作多功能传感器的材料和工艺

RPA 于 1959 年首次用于太空任务。传感器检测离子或带电粒子中的能量，这些离子或带电粒子漂浮在等离子体中，等离子体是地球上层大气中分子的过热混合物。在像 CubeSat 这样的轨道航天器上，多功能仪器测量能量并进行化学分析，可以帮助科学家预测天气或监测气候变化。

传感器包含一系列带电的网格，上面点缀着小孔。当等离子体穿过空穴时，电子和其他粒子被剥离，直到只剩下离子。这些离子产生传感器测量和分析的电流。RPA 成功的关键是对齐网格的外壳结构。它必须是电绝缘的，同时还能够承受温度的突然剧烈波动。

为了制造出传感器，科学家们选择了一种具有这些特性的可打印玻璃陶瓷材料，称为Vitrolite，这是一种玻璃陶瓷材料，具有合适的特性，能够承受外太空的极端温度变化。Vitrolite 在 20 世纪初被发明出来，经常用于彩色瓷砖，成为装饰艺术建筑中常见的材料。这种耐用材料还可以承受高达 800 摄氏度的温度而不会分解，而半导体 RPA 中使用的聚合物在 400 摄氏度时开始熔化。

LuisFernando Velásquez-García（图片来源：MIT）

陶瓷的 3D 打印过程通常涉及用激光撞击陶瓷粉末以将其融合成形状，但由于激光的高热量，该过程通常会使材料变得粗糙并产生薄弱点。相反，麻省理工学院的研究人员使用了大桶光聚合技术，这是几十年前引入的一种用于聚合物或树脂增材制造的工艺。通过大桶立体光刻工艺，将其反复浸入一桶液体材料（在本例中为 Vitrolite）中，一次构建一层 3D 结构。每一层加完后，用紫外光固化材料，然后将平台再次浸没在大桶中。每层只有100 微米厚（大约是人类头发的直径），可以创造出光滑、无孔、复杂的陶瓷形状。

在数字制造中，设计文件中描述的对象可能非常复杂。这种精度使研究人员能够创建具有独特形状的激光切割网格，以便将孔设置在 RPA 外壳内时完美对齐。这使更多的离子能够通过，从而实现更高分辨率的测量。由于传感器的生产成本低廉且制造速度如此之快，研究团队制作了四种独特设计的原型。

虽然一种设计在捕获和测量各种等离子体方面特别有效，例如卫星在轨道上遇到的等离子体，但另一种设计非常适合感测极其密集和冷的等离子体，这些等离子体通常只能使用超精密半导体设备进行测量。这种高精度可以使 3D 打印传感器应用于聚变能研究或超音速飞行。

Velásquez-García 补充说：“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，你需要能够失败并承担风险。增材制造是制造太空硬件的一种非常不同的方式。我可以制作太空硬件，如果它失败了，也没关系，因为我可以非常快速且廉价地制作新版本，并真正迭代设计。对于研究人员来说，这是一个理想的技术手段。“

虽然 Velásquez-García 对这些传感器很满意，但他希望在未来改进制造过程。减少玻璃陶瓷缸聚合中的层厚度或像素尺寸可以创建更精确的复杂硬件。此外，完全增材制造传感器将使它们与太空制造兼容。他还想探索使用人工智能来优化特定用例的传感器设计，例如大大减少它们的质量，同时确保它们保持结构合理。

在投入商业用途后，新的3D打印传感器将能够帮助科学家预测天气，更好地研究气候变化，或以许多其他方式进行研究。尽管他期待着进一步开发和研究这些传感器，但Luis对他和团队的工作完全满意，并总结说："增材制造可以为未来的空间设备带来巨大变化。有些人认为，当你用3D打印制造某些东西时，你必须接受较低的性能。但我们已经表明，情况并非总是如此。"

这项研究论文是由MTL 博士后Javier Izquierdo-Reyes，研究生ZoeyBigelow和博士后 Nicholas K. Lubinsky共同完成，被发表在增材顶刊《AdditiveManufacturing》上。

相关论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214860422004262