US-Forschende haben RAM-Bauelemente in der Schwerelosigkeit 3D-gedruckt

Forschende der University of Wisconsin-Madison haben einen Schritt in Richtung Weltraumfertigung von elektronischen Ersatzkomponenten gemacht, indem sie zum ersten Mal RAM-Bauelemente in der Schwerelosigkeit erfolgreich in 3D gedruckt haben.

Das Team der UW-Madison erreichte diesen Meilenstein im März 2024 während eines parabolischen Testflugs am Fort Lauderdale-Hollywood International Airport in Florida. Die von der NASA finanzierte Forschung, geleitet von Hantang Qin, Assistenzprofessor für industrielle und Systemtechnik, zielt darauf ab, die Herstellung von elektronischen Komponenten wie Halbleitern, Aktuatoren und Sensoren im Weltraum zu ermöglichen. Dies würde Reparaturen im All ermöglichen, ohne dass Ersatzteile transportiert werden müssen. „Von diesen Experimenten hängt viel ab“, sagt Rayne Wolf, ein Doktorand aus Potosi, Wisconsin, und einer der Leiter des Teams.

Traditioneller 3D-Druck basiert auf der Schwerkraft, um Material aus einer Druckerdüse zu extrudieren. Da dies im Weltraum nicht funktioniert, entwickelte Qins Labor eine Alternative namens Elektrohydrodynamischer (EHD) Druck. Diese Technik nutzt elektrische Kräfte, um den Fluss von flüssigem Material durch eine extrem dünne Düse mit einem Durchmesser von nur 30 Mikrometern zu steuern.

„In diesem kleinen Maßstab verhindert die Oberflächenspannung, dass die Flüssigkeit aus der Düse fließt“, sagt Qin, dessen Gruppe die Zusammenarbeit mit Forschern der Iowa State University, der Arizona State University, Intel und anderen Industriepartnern leitet. „Und dann wenden wir diese elektrische Kraft an, um diese Oberflächenspannung zu überwinden.“

Während der ersten beiden Testflüge traten technische Probleme auf, da Vibrationen des Flugzeugmotors die Kalibriersensoren des Druckers beeinflussten. Das Team konnte das Problem lösen, indem es den Code des Systems anpasste, wie Pengyu Zhang, ein Doktorand in Elektro- und Computertechnik, berichtete.

„Aber mit unserem Drucksystem können wir die Tröpfchen viel kleiner machen als die Düse“, sagt er. „Mit einer 2-Mikrometer-Düse können wir ein Muster im Nanomaßstab erzeugen. Das ist der große Vorteil dieses Verfahrens.“

Beim letzten Testflug produzierte der EHD-Drucker unter manueller Steuerung von Rayne Wolf und Jacob Kocemba erfolgreich über ein Dutzend RAM-Einheiten aus Zinkoxid, einer halbleitenden Tinte, sowie mehrere Einheiten aus Polydimethylsiloxan, einer isolierenden Polymer-Tinte.

„Wir hatten ein gutes Gefühl, als wir in der Luft waren und die Stufen funktionierten“, sagt Khawlah Alharbi, eine Doktorandin, die bei zwei der Testflüge dabei war. „Als die Ergebnisse herauskamen, waren wir wirklich zufrieden und glücklich und freuten uns darauf, mit unserer Forschung fortzufahren.“

Das Team plant, im August und November 2024 für weitere Testflüge nach Florida zurückzukehren. Dabei soll die EHD-Technologie in einen Mehrzweck-3D-Drucker eines Industriepartners integriert werden, um von einzelnen Einheiten zu vollwertigen Halbleiterbauelementen zu gelangen. Das Ziel ist es, diese Technologie auf der Internationalen Raumstation ISS zu testen. „Wenn wir das zur ISS schicken können“, sagt Doktorand Liangkui Jiang, der seit der Konzeption an dem Projekt gearbeitet hat, „wäre das ein Happy End.“