Científicos del MIT han creado los primeros sensores de plasma para naves espaciales en órbita fabricados íntegramente de forma digital mediante impresión 3D.
Estos sensores son ideales para los CubeSats —satélites utilizados para las comunicaciones y la vigilancia medioambiental en la atmósfera superior de la Tierra—, ya que son económicos y consumen poca energía.
Por lo general, el proceso de impresión 3D utiliza polvo cerámico que se irradia con un láser para fusionarlo y darle forma.
Sin embargo, esto puede dejar el material rugoso y crear puntos débiles debido al intenso calor de los láseres.
Los científicos trabajan en formas de mejorar el proceso de fabricación y aumentar la resistencia estructural de los sensores.
Científicos del MIT han creado los primeros sensores de plasma para naves espaciales en órbita fabricados íntegramente de forma digital. Estos sensores de plasma, también conocidos como analizadores de potencial retardador (RPA, por sus siglas en inglés), se utilizan en satélites para determinar la composición química y la distribución de energía de los iones en la atmósfera.
El hardware impreso en 3D y cortado con láser rindió tan bien como los sensores de plasma semiconductores de última generación que se fabrican en una sala limpia, un proceso que los encarece y requiere semanas de fabricación minuciosa. En cambio, los sensores impresos en 3D pueden producirse por unas decenas de dólares en cuestión de días.
Por su bajo costo y rápida producción, los sensores son ideales para los CubeSats. Estos satélites económicos, de bajo consumo y ligeros suelen utilizarse para las comunicaciones y la vigilancia medioambiental en la atmósfera superior de la Tierra.
Los investigadores desarrollaron RPA con un material vitrocerámico más duradero que los materiales tradicionales para sensores, como el silicio y los recubrimientos de película delgada. Al emplear la vitrocerámica en un proceso de fabricación desarrollado para la impresión 3D con plásticos, pudieron crear sensores con formas complejas capaces de soportar las amplias variaciones de temperatura que encontraría una nave espacial en una órbita terrestre baja.
«La fabricación aditiva puede marcar una gran diferencia en el futuro del hardware espacial. Algunas personas creen que, al imprimir algo en 3D, hay que aceptar un menor rendimiento. Pero hemos demostrado que no siempre es así. A veces no hay que renunciar a nada», afirma Luis Fernando Velásquez-García, científico principal de los Laboratorios de Tecnología de Microsistemas (MTL) del MIT y autor sénior de un artículo que presenta los sensores de plasma.
Junto con Velásquez-García, en el artículofiguran el primer autor y posdoctorando del MTL Javier Izquierdo-Reyes; la estudiante de posgrado Zoey Bigelow; y el posdoctorando Nicholas K. Lubinsky. La investigación se publicó en Additive Manufacturing.
Sensores versátiles
Un RPA se utilizó por primera vez en una misión espacial en 1959. Los sensores detectan la energía de los iones, o partículas con carga eléctrica, que flotan en el plasma, una mezcla de moléculas sobrecalentada presente en la atmósfera superior de la Tierra. A bordo de una nave espacial en órbita, como un CubeSat, estos versátiles instrumentos miden la energía y realizan análisis químicos que pueden ayudar a los científicos a predecir el tiempo o vigilar el cambio climático.
Los sensores contienen una serie de mallas con carga eléctrica y pequeños orificios. A medida que el plasma pasa por ellos, se eliminan los electrones y otras partículas hasta que solo quedan los iones. Estos iones generan una corriente eléctrica que el sensor mide y analiza.
La clave para que un RPA funcione es la estructura de la carcasa que alinea las mallas. Debe ser aislante eléctrico y, al mismo tiempo, soportar cambios de temperatura repentinos y drásticos. Los investigadores utilizaron un material vitrocerámico imprimible que presenta estas propiedades, conocido como Vitrolite.
Vitrolite, cuyo uso se impulsó a principios del siglo XX, se empleaba a menudo en azulejos de colores que se hicieron comunes en los edificios art déco.
Este material duradero también puede soportar temperaturas de hasta 800 grados Celsius sin degradarse, mientras que los polímeros utilizados en los RPA semiconductores empiezan a fundirse a 400 grados Celsius.
«Cuando se fabrica este sensor en una sala limpia, no se tiene el mismo grado de libertad para definir los materiales y las estructuras ni la manera en que interactúan. Esto ha sido posible gracias a los últimos avances en fabricación aditiva», afirma Velásquez-García.
Repensar la fabricación
El proceso de impresión 3D de cerámica suele utilizar polvo cerámico que se irradia con un láser para fusionarlo y darle forma, pero a menudo deja el material rugoso y crea puntos débiles debido al intenso calor de los láseres.
En su lugar, los investigadores del MIT utilizaron la polimerización en cuba, un proceso introducido hace décadas para la fabricación aditiva con polímeros o resinas. Con la polimerización en cuba, una estructura 3D se construye capa por capa, sumergiéndola repetidamente en una cuba con material líquido, en este caso Vitrolite. Se utiliza luz ultravioleta para curar el material después de añadir cada capa; luego, la plataforma vuelve a sumergirse en la cuba. Cada capa tiene apenas 100 micras de grosor (aproximadamente el diámetro de un cabello humano), lo que permite crear formas cerámicas complejas, lisas y sin poros.
En la fabricación digital, los objetos descritos en un archivo de diseño pueden ser muy complejos. Esta precisión permitió a los investigadores crear mallas cortadas con láser y de formas singulares, de modo que los orificios quedaran perfectamente alineados al colocarlas dentro de la carcasa del RPA. Así pueden pasar más iones, lo que permite obtener mediciones de mayor resolución.
Como los sensores eran baratos de producir y podían fabricarse con gran rapidez, el equipo creó prototipos de cuatro diseños distintos.
Mientras que un diseño era especialmente eficaz para captar y medir una amplia variedad de plasmas, como los que encontraría un satélite en órbita, otro era idóneo para detectar plasmas extremadamente densos y fríos, que normalmente solo pueden medirse con dispositivos semiconductores ultraprecisos.
Esta alta precisión podría permitir el uso de sensores impresos en 3D en aplicaciones de investigación sobre energía de fusión o de vuelo supersónico. El rápido proceso de creación de prototipos incluso podría impulsar más innovación en el diseño de satélites y naves espaciales, añade Velásquez-García.
«Si quieres innovar, tienes que poder fracasar y asumir el riesgo. La fabricación aditiva ofrece una forma muy distinta de producir hardware espacial. Puedo fabricar hardware espacial y, si falla, no importa, porque puedo hacer una nueva versión muy rápido y a bajo costo, y perfeccionar el diseño mediante iteraciones. Es un entorno de pruebas ideal para los investigadores», afirma.
Aunque Velásquez-García está satisfecho con estos sensores, en el futuro quiere mejorar el proceso de fabricación. Reducir el grosor de las capas o el tamaño de los píxeles en la polimerización en cuba de vitrocerámica podría dar lugar a hardware complejo aún más preciso. Además, fabricar los sensores íntegramente mediante fabricación aditiva permitiría utilizarlos en la fabricación en el espacio. También quiere explorar el uso de la inteligencia artificial para optimizar el diseño de los sensores para aplicaciones específicas, por ejemplo, reduciendo considerablemente su masa y garantizando a la vez su solidez estructural.
Este trabajo recibió financiación, en parte, del MIT, el Programa de Nanotecnología MIT-Tecnológico de Monterrey, el Programa MIT Portugal y la Fundación Portuguesa para la Ciencia y la Tecnología.
