NASA entwickelt einzigartige 3D-gedruckten Sensortechnologie weiter

Mahmooda Sultana erhielt Mittel, um eine möglicherweise revolutionäre Detektorplattform auf Basis von Nanomaterialien voranzubringen. Die Technologie ist in der Lage, alles von winzigen Konzentrationen von Gasen und Dämpfen, Atmosphärendruck und Temperatur zu erfassen und diese Daten dann über eine drahtlose Antenne zu übertragen – alles von derselben in sich geschlossenen Plattform, die nur zwei mal drei Zoll misst.

Durch einen Award von 2 Millionen US-Dollar für Technologieentwicklung werden Sultana und ihr Team im Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, die nächsten zwei Jahre für die Entwicklung der autonomen multifunktionalen Sensorplattform einsetzen. Bei Erfolg könnte die Technologie von den wichtigsten wissenschaftlichen Disziplinen der NASA und den Bemühungen profitieren, Menschen zum Mond und zum Mars zu schicken. Diese winzigen Plattformen könnten auf Rovern eingesetzt werden, um beispielsweise kleine Mengen Wasser und Methan zu erfassen, oder als Überwachungs- oder biologische Sensoren zur Wahrung der Gesundheit und Sicherheit von Astronauten verwendet werden.

Von zentraler Bedeutung für die Bemühungen, die von der NASA-Initiative für Frühkarriere (Space Career Mission Directorate – STMD) (ECM) finanziert werden, ist ein 3D-Drucksystem, das von Ahmed Busnina und seiner Gruppe an der Northeastern University in Boston entwickelt wurde. Das 3D-Drucksystem ist wie Drucker, mit denen Geld oder Zeitungen produziert werden. Der Drucker bringt jedoch anstelle von Tinte Nanomaterialien Schicht für Schicht auf ein Substrat auf, um winzige Sensoren zu erzeugen. Letztendlich kann jeder ein anderes Gas, ein anderes Druckniveau oder eine andere Temperatur erfassen.

Nanomaterialien wie Kohlenstoff-Nanoröhren, Graphen, Molybdändisulfid und andere weisen interessante physikalische Eigenschaften auf. Sie sind sehr empfindlich und stabil bei extremen Bedingungen. Sie sind auch leicht, strahlenfest und benötigen weniger Strom, was sie ideal für Weltraumanwendungen macht, sagte Sultana.

Im Rahmen ihrer Partnerschaft mit der Northeastern University werden Sultana und ihre Gruppe die Sensorplattform entwerfen, um zu ermitteln, welche Materialkombination für die Messung der kleinsten Konzentrationen von Wasser, Ammoniak, Methan und Wasserstoff in Milliardstel-Teilen am besten geeignet ist Leben im ganzen Sonnensystem. Nach ihrem Entwurf wird die Northeastern University dann das Nanoscale Offset Printing System verwenden, um die Nanomaterialien aufzubringen. Sobald gedruckt wird die Gruppe von Sultana, die einzelnen Sensoren funktionalisieren, indem zusätzliche Schichten aus Nanopartikeln abgeschieden werden, um deren Empfindlichkeit zu erhöhen, die Sensoren mit der Ausleseelektronik zu integrieren und die gesamte Plattform zu verpacken.

Der Ansatz unterscheidet sich dramatisch davon, wie Technologen derzeit multifunktionale Sensorplattformen herstellen. Anstatt nur einen Sensor zu bauen und ihn anschließend in andere Komponenten zu integrieren, können Techniker mithilfe des 3D-Drucks eine Reihe von Sensoren auf einer Plattform drucken, was den Integrations- und Verpackungsprozess erheblich vereinfacht.

Innovativ ist auch der Plan von Sultana, auf derselben Siliziumwafer-Teilschaltung für ein drahtloses Kommunikationssystem zu drucken, das mit Bodensteuerungen kommuniziert, wodurch das Design und die Konstruktion des Instruments weiter vereinfacht werden. Nach dem Drucken werden die Sensoren und die drahtlose Antenne auf einer Leiterplatte untergebracht, auf der sich die Elektronik, eine Stromquelle und der Rest der Kommunikationsschaltung befinden.

“Das Schöne an unserem Konzept ist, dass wir in der Lage sind, alle Sensoren und Teilkreisläufe auf demselben Substrat zu drucken, das starr oder flexibel sein kann. Wir lösen viele der Verpackungs- und Integrationsherausforderungen”, sagte Sultana. “Dies ist wirklich eine multifunktionale Sensorplattform. Alle meine Sensoren befinden sich auf demselben Chip und werden nacheinander in Schichten gedruckt.”

Weitreichende Anwendungen

Die Forschung beginnt dort, wo andere von der NASA finanzierte Bemühungen endeten. Im Rahmen mehrerer vorangegangener Bemühungen, die vom Goddards Internen Forschungs- und Entwicklungsprogramm und dem STMD Center Innovation Fund finanziert wurden, verwendeten Sultana und ihr Team unter Verwendung derselben Technik unter anderem einzelne Sensoren, die unter anderem aus Kohlenstoffnanoröhren und Molybdändisulfid hergestellt wurden. “Die Sensoren erwiesen sich als ziemlich empfindlich, bis hin zu einem niedrigen Anteil pro Million. Mit unserer ECI-Finanzierung zielen wir auf die Sensitivität des Instruments auf Parts per Billion ab, indem Sensordesign und -struktur verbessert werden”, sagte Sultana.

Dem Projekt zufolge soll das Projekt auf die Bedürfnisse der NASA nach kleinen, leichten, hochempfindlichen Sensoren mit niedrigem Stromverbrauch eingehen, mit denen sich wichtige Moleküle nicht nur durch die Messung der Molekülmassen unterscheiden lassen, sondern auch, wie viele Missionen heutzutage Moleküle mit Massenspektrometern nachweisen.

Tatsächlich hat die Behörde eingeräumt, dass zukünftige Sensoren kleinste Konzentrationen von Gasen und Dämpfen in den Teilen pro Milliarde erkennen müssen. Obwohl Massenspektrometer ein breites Spektrum von Molekülen erfassen können – besonders nützlich für unbekannte Proben -, haben sie Schwierigkeiten, zwischen einigen wichtigen Spezies wie Wasser, Methan und Ammoniak zu unterscheiden. “Es ist auch schwierig, die Milliardstel-Teile Level oder mehr mit ihnen zu erreichen”, sagte sie.

“Wir sind wirklich begeistert von den Möglichkeiten dieser Technologie”, sagte Sultana. “Mit unserer Finanzierung können wir diese Technologie auf die nächste Stufe bringen und der NASA möglicherweise eine neue Möglichkeit bieten, maßgeschneiderte, multifunktionale Sensorplattformen zu schaffen, von denen ich glaube, dass sie die Tür zu allen Arten von Missionskonzepten und -anwendungen öffnen können. Dieselbe Vorgehensweise verwenden wir Die Identifizierung von Gasen auf einem Planetenkörper könnte auch dazu dienen, biologische Sensoren zu schaffen, die die Gesundheit von Astronauten und die Schadstoffkonzentrationen in Raumfahrzeugen und Wohnräumen überwachen.”