Forscher des Massachusetts Institute of Technology (MIT) stellten mithilfe des 3D-Drucks einen Plasmasensor her. Dieser soll in der Lage sein, Wissenschaftlern die Veränderung des Klimawandels verständlicher zu machen. Entgegen bisheriger Plasmasensoren muss dieser nicht in einem Reinraum entstehen, was der Wissenschaft Geld, Aufwand und Zeit spart.

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Forschern des Massachusetts Institute of Technology (MIT) ist der 3D-Druck einzigartiger Plasmasensoren gelungen, die Wissenschaftlern dabei helfen könnten, die Auswirkungen des Klimawandels besser zu verstehen. Die Sensoren können außerhalb von Reinraumverbindungen hergestellt werden, was die Vorlaufzeit von Wochen auf nur wenige Tage verkürzt. Die Herstellungskosten sind relativ niedrig. Die Geräte können außerdem an CubeSats angebracht werden, um Temperaturschwankungen im Low Earth Orbit (LEO) zu überwachen.

Ihre Arbeit haben sie im Fachjournal Science Direct in einem Artikel mit dem Titel  „Compact Retarding Potential Analyzers Enabled by Glass-Ceramic Vat Polymerization for CubeSat and Laboratory Plasma Diagnostics“ veröffentlicht.

Einsatz von RPAs

Verzögerungspotentialanalysatoren (RPAs) sind ein wichtiges Ausrüstungsteil, um sich ändernde Wettermuster in LEO zu überwachen. Die Multi-Elektroden-Instrumente wurden zum ersten Mal 1959 bei einer Weltraummission eingesetzt. Sie erfassen die Energie in den Ionen, die in den Plasmamolekülen in der oberen Erdatmosphäre schweben. Die Sensoren lassen sich auch als In-Orbit-Massenspektrometer nutzen und können Energie messen und Chemikalien analysieren, um Wettervorhersagen zu liefern.

Aufbau des 3D-gedruckten RPAs
Der neue Sensor besteht aus einem lasergeschnittenen Stapel aus fünf Elektroden in einem 3D-gedruckten Glaskeramik-Elektrodengehäuse und einer CNC-bearbeiteten Ummantelung (im Bild: Aufbau des 3D-gedruckten Sensors)(Bild © MIT).

RPAs verwenden einige elektrisch geladene Maschen mit winzigen Löchern und streifen Elektronen und andere Partikel von Ionen ab. Diese erzeugen wiederum Strom, der gemessen und analysiert werden kann. Damit diese Geräte effektiv sind, muss sichergestellt werden, dass ihre Gehäusestruktur und Maschen aufeinander ausgerichtet sind. Auch wichtig sind ihre Insellage und die Fähigkeit, drastischen Temperaturschwankungen standzuhalten. Aktuelle Plasmasensoren mussten bisher unter Reinraumbedingungen aus Silizium in einem wochenlangen, komplizierten Prozess hergestellt werden. Das macht RPAs sehr teuer. Die Forscher des MIT haben einen Weg gefunden, die RPAs aus Glaskeramik in 3D zu drucken, wodurch sie In-situ-Ionosphärenstudien vorantreiben könnten.

3D-Druck eines RPA-Sensors

3D-gedruckter Plasmasensor
Forschern am MIT ist der 3D-Druck eines Plasmasensors (im Bild) gelungen (Bild © MIT).

Der neu gestaltete Sensor hat einen lasergeschnittenen Stapel aus fünf Elektroden in einem 3D-gedruckten Glaskeramik-Elektrodengehäuse und einer CNC-bearbeiteten Ummantelung. Das Gehäuse soll Elektroden durch einen Satz von Rollen, die mit einem Satz von Biegefedern zusammenwirken, räumlich verteilen. Die Forscher untersuchten unterschiedliche Stapeldesigns, eines, bei dem Cluster an eine einzelne Öffnung in einer schwebenden Gitterformation angepasst wurden und eines, bei dem alle Öffnungen die gleiche Größe hatten.

Beide entstanden mit einem Tethon 3D Bison 1000 System und Vitrolite, einem haltbaren pigmentierten Glas, das Temperaturen von bis zu 800 °C standhalten kann und mit hexagonal gepackten Öffnungen ausgestattet ist. Über Finite-Elemente-Analysen wurde jedes RPA-Design optimiert, um die ideale Ionenübertragung über das Gitter der Vorrichtung zu erreichen. In mehreren Tests erwiesen sich beide Designs als geeignet, um die durchschnittliche Energie von Ionen genau abzuschätzen. In der Praxis zeigten sich die Geräte als ideal für unterschiedliche Anwendungen.

Das einheitliche Gitterdesign war besonders effektiv bei der Messung einer breiten Palette von Plasmen. Das Design mit der schwebenden Gitterausrichtung erwies sich als geeignet, um dichte und kalte Plasmen mit einer Genauigkeit von nur 50 µm zu erfassen, die normalerweise nur mit ultrapräzisen Halbleiterbauelementen messbar sind.

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