Los cient\u00edficos del MIT han creado los primeros sensores de plasma fabricados de manera completamente digital para naves espaciales en \u00f3rbita. Estos sensores de plasma, tambi\u00e9n conocidos como analizadores de potencial de retardo (RPA), son utilizados por sat\u00e9lites para determinar la composici\u00f3n qu\u00edmica y la distribuci\u00f3n de energ\u00eda i\u00f3nica de la atm\u00f3sfera.<\/p>\n\n\n\n
El hardware impreso en 3D y cortado con l\u00e1ser funcion\u00f3 tan bien como los sensores de plasma semiconductores de \u00faltima generaci\u00f3n que se fabrican en una sala limpia, lo que los hace costosos y requiere semanas de fabricaci\u00f3n compleja. Por el contrario, los sensores impresos en 3D se pueden producir por decenas de d\u00f3lares en cuesti\u00f3n de d\u00edas.<\/p>\n\n\n\n
Debido a su bajo costo y r\u00e1pida producci\u00f3n, los sensores son ideales para CubeSats. Estos sat\u00e9lites econ\u00f3micos, de bajo consumo y livianos se utilizan a menudo para la comunicaci\u00f3n y el monitoreo ambiental en la atm\u00f3sfera superior de la Tierra.<\/p>\n\n\n\n
Los investigadores desarrollaron RPA utilizando un material de vitrocer\u00e1mica que es m\u00e1s duradero que los materiales de sensores tradicionales como el silicio y los revestimientos de pel\u00edcula delgada. Mediante el uso de la vitrocer\u00e1mica en un proceso de fabricaci\u00f3n que se desarroll\u00f3 para la impresi\u00f3n 3D con pl\u00e1sticos, se pudieron crear sensores con formas complejas que pueden soportar los amplios cambios de temperatura que encontrar\u00eda una nave espacial en la \u00f3rbita terrestre inferior.<\/p>\n\n\n\n
“La fabricaci\u00f3n aditiva puede marcar una gran diferencia en el futuro del hardware espacial. Algunas personas piensan que cuando imprimes algo en 3D, tienes que conceder menos rendimiento. Pero hemos demostrado que no siempre es as\u00ed. A veces no hay nada que perder”, dice Luis Fernando Vel\u00e1squez-Garc\u00eda, cient\u00edfico principal de Microsystems Technology Laboratories (MTL) del MIT y autor principal de un art\u00edculo que presenta los sensores de plasma.<\/p>\n\n\n\n
Junto a Vel\u00e1squez-Garc\u00eda en el art\u00edculo est\u00e1n el autor principal y postdoctorado de MTL, Javier Izquierdo-Reyes; la estudiante de posgrado Zoey Bigelow; y el posdoctorado Nicholas K. Lubinsky. La investigaci\u00f3n se publica en Additive Manufacturing.<\/p>\n\n\n\n
Sensores vers\u00e1tiles Los sensores contienen una serie de mallas cargadas el\u00e9ctricamente salpicadas de peque\u00f1os agujeros. A medida que el plasma pasa a trav\u00e9s de los agujeros, los electrones y otras part\u00edculas se eliminan hasta que solo quedan iones. Estos iones crean una corriente el\u00e9ctrica que el sensor mide y analiza.<\/p>\n\n\n\n La clave del \u00e9xito de un RPA es la estructura de la carcasa que alinea las mallas. Debe ser el\u00e9ctricamente aislante y, al mismo tiempo, capaz de soportar cambios repentinos y dr\u00e1sticos de temperatura. Los investigadores utilizaron un material de vitrocer\u00e1mica imprimible que muestra estas propiedades, conocido como Vitrolita.<\/p>\n\n\n\n Iniciado a principios del siglo XX, Vitrolite se usaba a menudo en mosaicos coloridos que se convirtieron en una vista com\u00fan en los edificios art deco. El material duradero tambi\u00e9n puede soportar temperaturas de hasta 800\u00b0C sin romperse, mientras que los pol\u00edmeros utilizados en los RPA de semiconductores comienzan a derretirse a los 400\u00b0C.<\/p>\n\n\n\n “Cuando fabricas este sensor en la sala limpia, no tienes el mismo grado de libertad para definir materiales y estructuras y c\u00f3mo interact\u00faan entre s\u00ed. Lo que hizo esto posible son los \u00faltimos desarrollos en fabricaci\u00f3n aditiva”, dice Vel\u00e1squez-Garc\u00eda.<\/p>\n\n\n\n Repensar la fabricaci\u00f3n En la fabricaci\u00f3n digital, los objetos descritos en un archivo de dise\u00f1o pueden ser muy complejos. Esta precisi\u00f3n permiti\u00f3 a los investigadores crear mallas cortadas con l\u00e1ser con formas \u00fanicas para que los agujeros se alinearan perfectamente cuando se colocaron dentro de la carcasa del RPA. Esto permite que pasen m\u00e1s iones, lo que conduce a mediciones de mayor resoluci\u00f3n.<\/p>\n\n\n\n Debido a que los sensores eran baratos de producir y pod\u00edan fabricarse tan r\u00e1pidamente, el equipo prototip\u00f3 cuatro dise\u00f1os \u00fanicos. Si bien un dise\u00f1o fue especialmente efectivo para capturar y medir una amplia gama de plasmas, como los que encontrar\u00eda un sat\u00e9lite en \u00f3rbita, otro fue muy adecuado para detectar plasmas extremadamente densos y fr\u00edos, que generalmente solo se pueden medir con dispositivos semiconductores ultraprecisos.<\/p>\n\n\n\n Esta alta precisi\u00f3n podr\u00eda habilitar sensores impresos en 3D para aplicaciones en investigaci\u00f3n de energ\u00eda de fusi\u00f3n o vuelo supers\u00f3nico. El r\u00e1pido proceso de creaci\u00f3n de prototipos podr\u00eda incluso estimular una mayor innovaci\u00f3n en el dise\u00f1o de sat\u00e9lites y naves espaciales, agrega Vel\u00e1squez-Garc\u00eda.<\/p>\n\n\n\n “Si quieres innovar, debes poder fallar y asumir el riesgo. La fabricaci\u00f3n aditiva es una forma muy diferente de hacer hardware espacial. Puedo hacer hardware espacial y si falla, no importa porque puedo hacer una nueva versi\u00f3n de forma muy r\u00e1pida y econ\u00f3mica, y realmente repetir el dise\u00f1o. Es una caja de arena ideal para los investigadores”, dice.<\/p>\n\n\n\n Si bien Vel\u00e1squez-Garc\u00eda est\u00e1 satisfecho con estos sensores, en el futuro quiere mejorar el proceso de fabricaci\u00f3n. Reducir el grosor de las capas o el tama\u00f1o de p\u00edxel en la polimerizaci\u00f3n en tina de vitrocer\u00e1mica podr\u00eda crear hardware complejo que sea a\u00fan m\u00e1s preciso. Adem\u00e1s, la fabricaci\u00f3n totalmente aditiva de los sensores los har\u00eda compatibles con la fabricaci\u00f3n en el espacio. Tambi\u00e9n quiere explorar el uso de inteligencia artificial para optimizar el dise\u00f1o de sensores para casos de uso espec\u00edficos, como reducir en gran medida su masa y garantizar que permanezcan estructuralmente s\u00f3lidos.<\/p>\n\n\n\n
<\/strong>Un RPA se utiliz\u00f3 por primera vez en una misi\u00f3n espacial en 1959. Los sensores detectan la energ\u00eda en iones, o part\u00edculas cargadas, que flotan en el plasma, que es una mezcla sobrecalentada de mol\u00e9culas presentes en la atm\u00f3sfera superior de la Tierra. A bordo de una nave espacial en \u00f3rbita como un CubeSat, los instrumentos vers\u00e1tiles miden la energ\u00eda y realizan an\u00e1lisis qu\u00edmicos que pueden ayudar a los cient\u00edficos a predecir el clima o monitorear el cambio clim\u00e1tico.<\/p>\n\n\n\n
<\/strong>El proceso de impresi\u00f3n 3D para cer\u00e1mica generalmente involucra polvo de cer\u00e1mica que se golpea con un l\u00e1ser para fusionarlo en formas, pero este proceso a menudo deja el material grueso y crea puntos d\u00e9biles debido al alto calor de los l\u00e1seres. En cambio, los investigadores del MIT utilizaron la polimerizaci\u00f3n en tina, un proceso introducido hace d\u00e9cadas para la fabricaci\u00f3n aditiva con pol\u00edmeros o resinas. Con la polimerizaci\u00f3n en tina, se construye una estructura 3D una capa a la vez sumergi\u00e9ndola repetidamente en una tina de material l\u00edquido, en este caso Vitrolite. Se usa luz ultravioleta para curar el material despu\u00e9s de agregar cada capa, y luego la plataforma se sumerge nuevamente en la tina. Cada capa tiene solo 100 micrones de espesor (aproximadamente el di\u00e1metro de un cabello humano), lo que permite la creaci\u00f3n de formas cer\u00e1micas complejas, suaves y sin poros.<\/p>\n\n\n\n