科学家 3D 打印适用人造卫星的高精度等离子体传感器-排行榜大全

据报道，目前，美国麻省理工学院最新研制 3D 打印精准等离子体传感器，该设备成本较低，且易于制造，这些数字化设备可以帮助科学家预测天气或者研究气候变化。该等离子体传感器也被称为“延迟电位分析仪 (RPAs)”, 被人造卫星等轨道航天器用于确定大气化学成分和离子能量分布。

3D 打印、激光切割流程制造的半导体等离子体传感器，由于该过程需要无尘环境，导致半导体等离子体传感器成本昂贵，且需要几个星期的复杂制造过程。相比之下，麻省理工学院最新研制的等离子体传感器仅需几天时间制造，成本几十美元。

由于成本较低、生产速度快，这种新型传感器是立方体卫星的理想选择，立方体卫星成本低廉、低功率且重量轻，经常用于地球上层大气的通信和环境监测。

该研究团队使用比硅和薄膜涂层等传统传感器材料更有弹性的玻璃陶瓷材料研制了新型等离子体传感器，通过在塑料 3D 打印过程中使用玻璃陶瓷，能够制造出形状复杂的传感器，它们能够承受航天器在近地轨道可能遇到的巨大温度波动。

研究报告资深作者、麻省理工学院微系统技术实验室 (MTL) 首席科学家路易斯・费尔南多・委拉斯奎兹-加西亚 (Luis Fernando Velasquez-Garcia) 说：“增材制造会在未来太空硬件领域产生重大影响，一些人认为，当 3D 打印一些物体时，必须认可其性能较低，但我们现已证明，情况并非总是这样。”目前这项最新研究报告发表在近期出版的《增材制造杂志》上。

多功能传感器

等离子体传感器首次用于太空任务是 1959 年，它能探测到漂浮在等离子体中的离子或者带电粒子的能量，等离子体是存在于地球上层大气中的过热分子混合物。在立方体卫星这样的轨道航天器上，等离子体传感器可以测量能量变化，并进行化学分析，从而有助于科学家预测天气或者监测气候变化。

该传感器包含一系列布满小孔的带电网格，当等离子体通过小孔时，电子和其他粒子将被剥离，直到仅剩下离子，当这些离子产生电流，传感器将对其进行测量和分析。

等离子体传感器应用成功的关键是对齐网格的孔状结构，它必须具有电绝缘性，同时能够承受温度的剧烈波动，研究人员使用一种可 3D 打印的玻璃陶瓷材料 ——Vitrolite，它满足以上特性。据悉，Vitrolite 材料最早出现于 20 世纪初，常应用于彩色瓷砖设计中，成为装饰艺术建筑中最常见的材料。

持续耐用的 Vitrolite 材料可承受高达 800 摄氏度的高温而不分解，而集成电路结构的等离子体传感器中的高分子材料会在 400 摄氏度时开始熔化。加西亚说：“当工作人员在无尘室中制造这种传感器时，他们不会有相同的自由度来定义材料和结构，以及它们是如何相互作用，但这可能促成增材制造的最新发展。”

重新认识等离子体传感器的 3D 打印过程

陶瓷材料 3D 打印过程通常涉及到激光轰击陶瓷粉末，使其融合成为各种形状结构，然而，由于激光释放的高热量，该制造过程往往会使材料变得粗糙，并产生瑕疵点。

然而，麻省理工学院的科学家在该制造进程中使用了还原性高分子聚合反应，这是几十年前引入的一种使用聚合物或者树脂进行增材制造的工艺，在还原聚合技术中，通过反复将材料浸入盛有 Vitrolite 液体材料的还原缸，浸入一次会形成一层三维结构，每一层结构形成后，再用紫外线将材料固化，每层结构仅 100 微米厚度 (相当于人类头发直径)，最终反复浸入 Vitrolite 液体材料，将形成光滑、无孔、复杂的陶瓷结构。

在数字化制造工艺中，设计文档中描述的制造对象可能非常复杂，这种高精度设计需要研究人员使用独特结构的激光切割网格，当打印完成后安装在等离子体传感器外壳中，小孔状结构能完美地排列，使更多的离子通过其中，从而获得更高精度的测量数据。

由于该传感器生产成本低，且制作速度快，研究团队制作了 4 个独特的设计原型。其中一个设计原型在捕捉和测量大范围等离子体方面特别有效，尤其适用于卫星轨道勘测等离子体，另一个设计原型非常适用于测量密度极高、温度极低的等离子体，这通常仅能用于超精密半导体器件测量。

这种高精度设计可使 3D 打印传感器应用于聚变能研究或者超音速飞行，加西亚补充称，这种快速 3D 打印工艺甚至可以带来卫星和航天器设计领域的更多创新。

加西亚说：“如果你希望不断创新，就必须面对失败并承担相应的风险，增材制造是制造太空设备的另一种方式，我们可以制造太空装置，即使该过程失败了，也没什么关系，因为我们仍能快速且廉价地制作一个新的版本，并在设计上进行迭代更新。对于研究人员而言，这是一非常理想的沙箱效应。”

据悉，尽管加西亚对最新设计的等离子体传感器感到很满意，但他希望未来不断提高制造工艺，在玻璃陶瓷缸式聚合过程中，减少层厚度或者像素大小，进而创造出精准度更高的复杂装置。此外，完全叠加制造工艺可使它们与空间制造不断兼容，他还希望探索使用人工智能不断优化传感器设计，从而适应特定的应用场景，例如：在确保结构稳定的同时大幅减少传感器重量。

NASA MMS破解了60年来的快速磁爆之谜

在短短几分钟内，太阳上的耀斑就可以释放出足够的能量来为整个世界供电2万年。这些太阳耀斑是由一个被称为磁重联的爆炸过程引发的，而科学家们在过去的半个世纪里一直试图弄清楚它是如何工作的。

这也不仅仅是一个出于科学层面上的好奇心。对磁重联更全面的了解可以让人们了解核聚变并对可能影响地球轨道技术的来自太阳的粒子风暴提供更好的预测。

现在，NASA磁层多尺度任务(MMS)的科学家们认为他们已经搞清楚了。研究人员已经开发了一个理论并解释了最具爆炸性的磁重联类型--称为快速重联--是如何发生的及为什么它以一致的速度发生。新理论使用了一种常见的磁效应，这种效应被用于家用设备，如为汽车防抱死制动系统计时和知道手机翻盖何时关闭的传感器。

这项新研究的论文第一作者、新罕布什尔州达特茅斯学院的物理学教授、MMS理论和建模小组的副组长Yi-Hsin Liu说道：“我们终于明白是什么让这种类型的磁重联如此快速。我们现在有一个理论来充分解释它。”

磁重联是发生在等离子体中的一个过程，有时被称为物质的第四状态。当一种气体被赋予足够的能量进而使其原子破裂并留下带负电的电子和带正电的离子并排存在的杂物时，则就会形成等离子体。这种有能量的、类似流体的物质对磁场非常敏感。

从太阳上的耀斑到近地空间再到黑洞，整个宇宙中的等离子体都在进行磁重联，它将磁能迅速转化为热量和加速度。虽然有几种类型的磁重联，但有一种特别令人困惑的变体被称为快速重联，它以可预测的速度发生。

MMS项目科学家、位于马里兰州格林贝尔特的NASA戈达德太空飞行中心的研究科学家Barbara Giles说道：“我们已经知道快速重联以某种速度发生，似乎是相当恒定的。但直到现在，真正驱动这一速度的因素一直是个谜。”

这个可视化图显示了霍尔效应，当较重的离子（蓝色）的运动跟较轻的电子（红色）进入有强电流的区域（金色区域）时，霍尔效应就会发生。

这项新的研究已发表在《自然》的《通信物理学》上，其部分由美国国家科学基金会资助，文章解释了快速重联是如何在无碰撞等离子体中具体发生的。在空间发生重联的地方，大多数等离子体都处于这种无碰撞状态，其中包括太阳耀斑中的等离子体和地球周围的空间。

新理论显示了快速重联是如何及为什么可能被霍尔效应加速。霍尔效应是一种常见的磁现象，用于日常技术，如汽车车轮速度传感器和3D打印机，其中传感器负责测量速度、接近度、定位或电流。

在快速磁重联期间，等离子体中的带电粒子--即离子和电子--停止作为一个群体移动。当离子和电子开始单独运动时，它们产生了霍尔效应并创造了一个不稳定的能量真空--在那里发生了重联。来自能量真空周围磁场的压力则会导致真空内爆，从而以可预测的速度迅速释放巨大的能量。

这一新理论将在未来几年内通过MMS进行测试。据了解，MMS使用四个航天器以金字塔形式围绕地球飞行以研究无碰撞等离子体中的磁重联。在这个独特的空间实验室里，MMS能以比地球上更高的分辨率研究磁重联。

Giles说道：“最终，如果我们能够理解磁重联是如何运作的，那么我们就可以更好地预测那些可能影响我们地球的事件如地磁暴和太阳耀斑。并且，如果我们能够理解重联是如何启动的，它还将有助于能源研究，因为研究人员可以更好地控制聚变装置中的磁场。”

世界上最快氢传感器诞生？氢动力汽车工业重大突破，等离子技术？

氢是一种清洁的可再生能源载体，可以为汽车提供动力，这种能量转换过程中水是唯一的排放物。但不幸的是，氢气与空气混合时极易燃烧，因此需要非常有效的传感器。

现在，瑞典查尔姆斯理工大学的研究人员提出了有史以来第一个满足未来氢动力汽车性能目标的氢传感器。研究人员的突破性成果最近发表在著名的科学杂志《自然材料》上。这一发现是一种封装在塑

料材料中的光学纳米传感器。该传感器基于一种光学现象——等离子体——当金属纳米粒子被照亮并捕获可见光时，即被触发。当环境中的氢含量变化时，传感器可以通过改变颜色要预警氢气浓度的变化。

微型传感器周围的塑料不仅起到保护作用，而且还起着关键部件的作用。它通过加速氢气体分子进入金属粒子的吸收来增加传感器的响应时间，在金属粒子中可以检测到它们。

同时，塑料作为对环境的有效屏障，防止任何其他分子进入并使传感器失去活力。因此，该传感器既能高效工作，又能不受干扰地工作，使其能够满足汽车工业的严格要求，能够在不到一秒钟的时间内检测到空气中0.1%的氢。

“我们不仅开发了世界上最快的氢传感器，而且还开发了一种随时间稳定且不失活性的传感器。与今天的氢传感器不同，我们的解决方案不需要经常重新校准，因为它受到塑料的保护，”Chalmers物理系的研究员解释到。

研究人员在总结了前人的研究成果后，发现还没有人能够成功地达到对未来氢汽车氢传感器的严格响应时间要求之后，他们测试了自己的传感器。他们意识到离目标只有一秒钟的距离——甚至没有试图优化目标。最初主要用作屏障的塑料，通过使传感器更快，比他们想象的做得更好。这一发现导致了一段紧张的实验和理论工作。

检测氢气在很多方面都具有挑战性。这种气体是看不见的，没有气味，但易挥发，极易燃烧。它只需要空气中4%的氢就可以产生氢氧气体，有时也被称为爆炸气体，这种气体在最小的火花处极易被点燃。为了使氢汽车和未来的相关基础设施足够安全，必须能够检测到空气中极少量的氢。传感器必须足够快，以便在火灾发生前快速检测到泄漏。

“研发成功并展示这种传感器感觉很好，它有望成为氢动力汽车重大突破的一部分。我们对燃料电池工业的兴起令人鼓舞，”查尔姆斯物理系教授克里斯托夫兰哈默说。

虽然其主要目的是利用氢作为能量载体，但传感器也提供了其他可能性。在电网工业、化学工业和核电工业中，高效氢传感器是必不可少的，它还可以帮助改善医疗诊断。

“我们呼吸中的氢气量可以为炎症和食物不耐症提供答案。我们希望我们的研究成果能广泛应用。这不仅仅是一本科学出版物，” 克里斯托夫兰哈默说。

从长远来看，研究团队希望这种传感器能够以高效的方式串联生产，例如使用3D打印机技术。

•Chalmers开发的传感器基于一种光学现象——等离子体——当金属纳米粒子被照亮并捕获特定波长的光时发生。

•光学纳米传感器含有数以百万计的钯金合金金属纳米粒子，这种材料以其海绵状的吸收大量氢的能力而闻名。当环境中的氢含量变化时，等离子体效应会使传感器变色。

•传感器周围的塑料不仅是一种保护，而且通过促进氢分子更快地穿透金属颗粒从而更快地被检测到，从而增加传感器的响应时间。同时，塑料对环境起到了有效的屏障作用，因为除了氢以外，没有其他分子能接触到纳米颗粒，从而阻止了失活。

•传感器的效率意味着它能够在不到一秒钟的时间内检测到空气中0.1%的氢，从而满足汽车工业为未来氢汽车应用设定的严格性能目标。

“用于等离子体超快检测的金属-聚合物混合纳米材料”一文已发表在《自然材料》上，研究结果是与荷兰代尔夫特技术大学、丹麦技术大学和波兰华沙大学合作开发的。

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