Toute recherche qui aboutit à des résultats productifs dans un environnement de gravité zéro peut avoir une incidence positive sur l’expérience des astronautes dans le domaine de l’aéronautique et de l’espace, car l’état ou la condition d’apesanteur est prédominant dans un tel environnement.
Une recherche récente menée par une équipe de chercheurs du collège d’ingénierie de l’université d’État de l’Iowa s’est déroulée dans un environnement de gravité zéro. Elle avait pour ambition d’imprimer en 3D un modèle de circuit conducteur en microgravité.
« Nous voulons aider la NASA à développer une plateforme qui puisse élargir considérablement les matériaux et les dispositifs qu’elle peut fabriquer dans l’espace« , a déclaré Shan Jiang, professeur adjoint en science et ingénierie des matériaux (MSE). Dans cette optique, l’équipe de recherche a mis au point un nouveau procédé d’impression 3D qui porte un acronyme décrivant ses objectifs pour cette industrie verticale : NINJAS – « No-Gravity INk Jet Printing for Aeronautics and Space ».
« L’objectif principal de notre expérience était d’imprimer un motif de circuit conducteur en microgravité », a déclaré Hantang Qin, professeur adjoint en ingénierie des systèmes industriels et de fabrication (IMSE) qui a dirigé les recherches. « Nous avons testé plusieurs types d’encre avec différentes propriétés matérielles, telles que la densité, la tension superficielle et la permittivité, tout en déterminant les conditions de fonctionnement optimales, notamment la tension, la fréquence d’impulsion et l’orientation de la buse. »
Avec l’aide du programme Flight Opportunities de la NASA, l’équipe a mis au point de toutes nouvelles méthodes pour synthétiser des encres à base de titanate d’argent et de baryum (brevet en instance) et imprimer avec succès ces encres sur un substrat de verre pendant le vol d’essai. Ces encres particulières sont souhaitables pour leurs applications dans l’impression de dispositifs électroniques, notamment des circuits généraux, des condensateurs et des capteurs d’humidité, selon Qin et Jiang. L’équipe espère que les résultats de cette recherche pourront améliorer la fabrication de capteurs flexibles, de robotique douce, de cartes de circuits imprimés, de semi-conducteurs et d’autres dispositifs électroniques à micro-échelle sur terre comme dans l’espace.
Selon Qin, les vibrations de l’avion transférées à l’imprimante 3D embarquée ont été l’un des plus grands défis que l’équipe a dû relever. Les vibrations du moteur de l’avion couplées aux turbulences ont provoqué des perturbations au niveau de la buse de l’imprimante 3D pendant son fonctionnement. L’équipe a tenté de recréer ces vibrations dans les mois précédant le vol d’essai en faisant fonctionner l’imprimante tout en conduisant une voiture autour d’Ames. Selon Qin, l’équipe a pu surmonter les obstacles que les vibrations ont présentés pendant le vol d’essai en ajustant des facteurs tels que la tension du champ électrique et la distance entre la buse de l’imprimante et le substrat en verre. L’ajustement de la fréquence des impulsions a également permis d’atténuer certains des problèmes liés aux vibrations.
L’adaptation à la sensation physique d’un environnement en apesanteur a été un autre défi pour les chercheurs. Qin a déclaré que les médicaments contre le mal des transports les ont aidés à faire face aux nausées causées par l’environnement de gravité zéro et il a comparé cette sensation à « l’utilisation d’une imprimante tout en sautant littéralement d’un immeuble de 30 000 pieds« . Matthew Marander, étudiant en doctorat en MSE, a déclaré que la sensation était comme celle d’être dans une piscine, mais avec moins de pression.
« L’environnement de gravité zéro n’était même pas si difficile à adapter à la sensation« , a déclaré Marander. « Ce qui m’a semblé plus difficile à gérer, c’est la sensation de transition rapide entre l’hypergravité, la gravité normale et l’apesanteur. Passer de l’une à l’autre aussi rapidement peut être un peu désorientant. »
L’équipe prévoit d’améliorer encore sa technique d’impression 3D et est en train de demander un autre essai de vol parabolique en mai 2022.
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