MITの科学者らは、軌道上の宇宙機向けに、完全にデジタル製造された初のプラズマセンサーを3Dプリントで作製した。
これらのセンサーは、地球上層大気の通信や環境モニタリングに使われる衛星、キューブサットに最適だ。安価で消費電力も少ないためである。
一般的な3Dプリントでは、セラミック粉末にレーザーを照射し、溶融・結合させて形を作る。
しかし、レーザーの高熱によって、素材が粗くなったり、弱点が生じたりすることがある。
科学者らは、製造工程を改良し、センサーの構造強度を高める方法に取り組んでいる。
MITの科学者らは、軌道上の宇宙機向けに、完全にデジタル製造された初のプラズマセンサーを作製した。遅延電位分析器（RPA）とも呼ばれるこれらのプラズマセンサーは、衛星が大気の化学組成とイオンのエネルギー分布を測定するために使われる。
3Dプリントとレーザーカットで作製した装置は、クリーンルームで製造される最先端の半導体プラズマセンサーと同等の性能を示した。クリーンルームでの製造は高価で、複雑な工程に数週間を要する。一方、3Dプリント製センサーは数十ドルで数日以内に製造できる。
低コストで迅速に製造できるため、このセンサーはキューブサットに最適だ。こうした安価で低消費電力かつ軽量な衛星は、地球上層大気の通信や環境モニタリングによく使われる。
研究者らは、従来のセンサー材料であるシリコンや薄膜コーティングより耐久性に優れたガラスセラミック材料を用いてRPAを開発した。プラスチックの3Dプリント用に開発された製造工程にこのガラスセラミックを適用することで、地球低軌道で宇宙機が遭遇する大きな温度変化に耐えられる、複雑な形状のセンサーを作製できた。
「積層造形は、将来の宇宙機器に大きな変化をもたらし得ます。3Dプリントで何かを作ると性能を多少犠牲にしなければならない、と考える人もいます。しかし、それが常に当てはまるわけではないことを私たちは示しました。トレードオフがまったくない場合もあります」と、MITマイクロシステム技術研究所（MTL）の主任研究員で、プラズマセンサーを紹介する論文の責任著者であるルイス・フェルナンド・ベラスケス＝ガルシア氏は述べる。
ベラスケス＝ガルシア氏とともにこの論文を執筆したのは、筆頭著者でMTLの博士研究員であるハビエル・イスキエルド＝レイエス氏、大学院生のゾーイ・ビゲロー氏、博士研究員のニコラス・K・ルビンスキー氏である。研究成果は、Additive Manufacturing誌に掲載された。
多用途なセンサー
RPAが宇宙ミッションで初めて使われたのは1959年だった。このセンサーは、地球上層大気に存在する、分子が非常に高温で混ざり合ったプラズマの中を漂うイオン、つまり荷電粒子のエネルギーを検出する。キューブサットのような軌道上の宇宙機に搭載すると、この多用途な装置はエネルギーを測定し、化学分析を行うことで、科学者による天候予測や気候変動の監視に役立つ。
センサーには、小さな穴が点在する一連の帯電メッシュが含まれている。プラズマが穴を通過する際に、電子などの粒子が取り除かれ、イオンだけが残る。これらのイオンが電流を生み、センサーがそれを測定・分析する。
RPAの性能を左右する鍵は、メッシュの位置をそろえる筐体構造にある。電気を通さず、急激で大幅な温度変化にも耐えなければならない。研究者らは、こうした性質を備え、印刷可能なガラスセラミック材料「ビトロライト」を使用した。
20世紀初頭に開発されたビトロライトは、アールデコ様式の建物でよく見かけるようになった、色鮮やかなタイルに広く使われていた。
この耐久性の高い材料は、劣化することなく摂氏800度まで耐えられる。一方、半導体RPAに使われるポリマーは摂氏400度で溶け始める。
「クリーンルームでこのセンサーを作る場合、材料や構造、そしてそれらが相互にどう作用するかを定義する自由度は、同じようには得られません。これを可能にしたのは、積層造形における最新の進歩です」とベラスケス＝ガルシア氏は述べる。
製造工程を見直す
セラミックの3Dプリントでは通常、セラミック粉末にレーザーを照射し、溶融・結合させて形を作る。しかし、この工程ではレーザーの高熱によって素材が粗くなり、弱点が生じることが多い。
そこでMITの研究者らは、数十年前にポリマーや樹脂の積層造形向けに導入された、槽光重合という工程を用いた。槽光重合では、液体材料（この場合はビトロライト）の槽に構造体を繰り返し沈め、一層ずつ3D構造を作り上げる。各層を加えた後に紫外線を照射して材料を硬化させ、次に造形台を再び槽に沈める。各層の厚さはわずか100マイクロメートル（およそ人間の髪の毛の直径）で、滑らかで細孔のない複雑なセラミック形状を作ることができる。
デジタル製造では、設計ファイルに記述された物体を非常に複雑な形状にできる。この精度により研究者らは、独特な形状のメッシュをレーザーカットし、RPAの筐体内に設置した際に穴がぴったりそろうようにできた。これによって通過するイオンが増え、より高解像度の測定が可能になる。
センサーを安価かつ迅速に製造できたため、研究チームは4種類の独自設計を試作した。
ある設計は、衛星が軌道上で遭遇するような幅広い種類のプラズマを捕捉・測定するのに特に効果的だった。別の設計は、通常は超高精度の半導体デバイスでしか測定できない、極めて高密度で低温のプラズマの検出に適していた。
この高い精度により、核融合エネルギー研究や超音速飛行に応用する3Dプリント製センサーが実現する可能性がある。また、迅速な試作工程が衛星や宇宙機の設計にさらなる革新をもたらす可能性もあると、ベラスケス＝ガルシア氏は付け加える。
「革新を目指すなら、失敗できること、そしてそのリスクを負えることが必要です。積層造形は、宇宙機器を作るまったく異なる方法です。宇宙機器を作って、たとえ失敗しても問題ありません。非常に短期間かつ低コストで新しいバージョンを作り、設計を何度も改良できるからです。研究者にとって理想的な実験の場です」と同氏は述べる。
ベラスケス＝ガルシア氏は今回のセンサーに満足しているが、今後は製造工程をさらに改良したいと考えている。ガラスセラミックの槽光重合で層の厚さや画素サイズを小さくすれば、より精密で複雑な機器を作れる可能性がある。さらに、センサーを完全に積層造形で製造すれば、宇宙空間での製造にも対応できる。また、構造の健全性を保ちながら大幅に軽量化するなど、特定の用途に合わせてセンサー設計を最適化するため、人工知能の活用も検討したいという。
この研究は、MIT、MIT・テクノロジコ・デ・モンテレイ・ナノテクノロジー・プログラム、MITポルトガル・プログラム、ポルトガル科学技術財団から一部資金提供を受けた。
