Grâce à un nouveau procédé numérique, des scientifiques du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont créé des capteurs à plasma à faible coût pour les engins spatiaux en orbite. Contrairement aux capteurs à plasma qui sont fabriqués dans une salle blanche, les capteurs imprimés en 3D peuvent être produits pour quelques dizaines de dollars en quelques jours.
En raison de leur faible coût et de leur rapidité de production, les capteurs de plasma imprimés en 3D, également appelés analyseurs de potentiel de retardement (RPA = as retarding potential analyzers), sont idéaux pour les CubeSats, qui sont utilisés pour surveiller l’environnement ou prédire la météo. En utilisant la vitrocéramique dans un procédé de fabrication mis au point pour l’impression 3D de matières plastiques, les chercheurs ont pu créer des capteurs aux formes complexes capables de résister aux fortes variations de température qu’un engin spatial peut rencontrer en orbite terrestre basse.
« La fabrication additive peut faire une grande différence dans l’avenir du matériel spatial. Certaines personnes pensent que lorsque vous imprimez quelque chose en 3D, vous devez concéder moins de performances. Mais nous avons montré que ce n’est pas toujours le cas. Parfois, il n’y a aucun compromis à faire », explique Luis Fernando Velásquez-García, chercheur principal au Microsystems Technology Laboratories (MTL) du MIT et auteur principal d’un article présentant les capteurs à plasma. « Lorsque vous fabriquez ce capteur en salle blanche, vous n’avez pas le même degré de liberté pour définir les matériaux et les structures et la façon dont ils interagissent ensemble. Ce qui a rendu cela possible, ce sont les derniers développements en matière de fabrication additive », explique Mme Velásquez-García.
Repenser la fabrication
Le processus d’impression 3D pour les céramiques implique généralement une poudre de céramique qui est frappée par un laser pour la fusionner en formes, mais ce processus laisse souvent le matériau grossier et crée des points faibles en raison de la chaleur élevée des lasers.
À la place, les chercheurs du MIT ont utilisé la polymérisation en cuve, un procédé introduit il y a plusieurs décennies pour la fabrication additive de polymères ou de résines. Avec la polymérisation en cuve, une structure 3D est construite couche par couche en l’immergeant à plusieurs reprises dans une cuve de matériau liquide, dans ce cas-ci Vitrolite. Une lumière ultraviolette est utilisée pour durcir le matériau après l’ajout de chaque couche, puis la plate-forme est à nouveau immergée dans la cuve. Chaque couche n’a qu’une épaisseur de 100 microns (à peu près le diamètre d’un cheveu humain), ce qui permet de créer des formes céramiques complexes, lisses et sans pores.
Dans la fabrication numérique, les objets décrits dans un fichier de conception peuvent être très complexes. Cette précision a permis aux chercheurs de créer des mailles découpées au laser aux formes uniques afin que les trous soient parfaitement alignés lorsqu’ils sont placés à l’intérieur du boîtier du RPA. Cela permet à un plus grand nombre d’ions de passer à travers, ce qui conduit à des mesures de plus haute résolution.
Les capteurs étant peu coûteux à produire et pouvant être fabriqués très rapidement, l’équipe a réalisé quatre prototypes uniques.
Si l’un d’entre eux s’est avéré particulièrement efficace pour capter et mesurer un large éventail de plasmas, comme ceux qu’un satellite rencontre en orbite, un autre était bien adapté à la détection de plasmas extrêmement denses et froids, qui ne peuvent généralement être mesurés qu’à l’aide de dispositifs à semi-conducteurs ultra-précis.
Cette haute précision pourrait permettre d’utiliser des capteurs imprimés en 3D pour des applications dans la recherche sur l’énergie de fusion ou les vols supersoniques. Le processus de prototypage rapide pourrait même stimuler l’innovation dans la conception des satellites et des engins spatiaux, ajoute Velásquez-García.
A l’avenir, l’objectif est de réduire l’épaisseur des couches ou la taille des pixels dans la polymérisation en cuve de vitrocéramique afin de créer un matériel complexe encore plus précis.
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