MIT-Entwicklung 3D-gedruckte Plasma-Sensoren für die Raumfahrt

Ein am MIT neu entwickeltes Verfahren ermöglicht es, Plasmasensoren für CubeSats mittels 3D-Druck schnell und kostengünstig zu produzieren. Diese sollen konventionell gefertigten Sensoren in nichts nachstehen.

Forscher am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben die ersten vollständig digital hergestellten Plasmasensoren für Raumfahrzeuge in der Erdumlaufbahn entwickelt. Plasmasensoren werden auch als „Retarding Potential Analyzer“ (RPA) bezeichnet und kommen in Satelliten bei der Bestimmung der chemischen Zusammensetzung und der Ionenenergieverteilung in der Atmosphäre zum Einsatz. Derartige Messungen unterstützen Wissenschaftler bei der Wettervorhersage oder der Überwachung des Klimawandels.

Bisher werden dazu Halbleiter-Plasmasensoren verwendet, deren Produktion aufgrund der Herstellung in einem Reinraum teuer und langwierig ist. Die MIT-Sensoren werden dagegen im 3D-Druck hergestellt und mit Lasern geschnitten und können innerhalb weniger Tage für einige Dutzend US-Dollar gefertigt werden. Tests zeigten, dass sie leistungsmäßig den bisherigen RPAs offenbar ebenbürtig sind.

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Dies macht die Sensoren ideal für den Einsatz in CubeSats. Diese kostengünstigen, leichten und stromsparenden Satelliten finden häufig bei der Kommunikation und der Umweltüberwachung in der oberen Erdatmosphäre Anwendung.

Die Forschenden konstruierten die RPAs mithilfe eines glaskeramischen Materials, das haltbarer ist als herkömmliche Sensormaterialien wie Silizium und Dünnfilmbeschichtungen. Durch die Verwendung der Glaskeramik in einem Herstellungsprozess, der für den 3D-Druck mit Kunststoffen entwickelt wurde, konnten sie komplex geformte Sensoren herstellen, die den großen Temperaturschwankungen in der unteren Erdumlaufbahn standhalten. Eine detaillierte Beschreibung veröffentlichten die Wissenschaftler in einem Artikel auf ScienceDirect.

3D-Druck ermöglicht mehr Freiheiten

„Wenn man diesen Sensor im Reinraum herstellt, hat man nicht den gleichen Freiheitsgrad bei der Definition von Materialien und Strukturen und deren Zusammenspiel. Möglich wurde dies durch die neuesten Entwicklungen in der additiven Fertigung“, sagt Luis Fernando Velásquez-García, leitender Wissenschaftler in den Microsystems Technology Laboratories (MTL) des MIT und Hauptautor des Papiers.

Im Gegensatz zu den bisherigen 3D-Druckverfahren verwendeten die Forschenden eine Kübelpolymerisation. Hierbei wird die 3D-Struktur schichtweise durch Eintauchen in einen Kübel mit flüssigem Material, in diesem Fall Vitrolite, aufgebaut und anschließend mit UV-Licht ausgehärtet. Jede Schicht ist dabei nur 100 Mikrometer dick.

Da die Sensoren billig und schnell zu produzieren sind, stellte das Team gleich vier unterschiedliche Designs her. Eine dieser Entwicklungen zeigte sich als besonders effektiv bei der Erfassung und Messung eines breiten Spektrums von Plasmen, wie sie ein Satellit in der Umlaufbahn antrifft. Eine andere war gut geeignet für die Aufzeichnung extrem dichter und kalter Plasmen, die normalerweise nur mit hochpräzisen Halbleitergeräten zu messen sind. Diese hohe Präzision könnte 3D-gedruckte Sensoren für Anwendungen in der Fusionsenergieforschung oder im Überschallflug ermöglichen.

* Richard Oed ist freier Fachjournalist

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