NASA将推进独特的3D打印传感器技术

一位美国宇航局的技术专家正在将小型化推向极端。

Mahmooda Sultana赢得了资金，以推进一个潜在的革命性的基于纳米材料的探测器平台。这项技术能够从微小的气体和蒸汽浓度、大气压力和温度中感知一切，然后通过无线天线传输这些数据——所有这些都来自同一个独立平台，尺寸只有2到3英寸。

图片说明：技术专家Mahmouda Sultana拥有一个自主多功能传感器平台的早期迭代，这将有助于NASA所有主要的科学学科和将人类送上月球和火星的努力。学分：NASA/W.Hrybyk

根据200万美元的技术开发奖，Sultana和她在位于马里兰州绿地的NASA戈达德航天飞行中心的团队将在接下来的两年里推进自主多功能传感器平台。如果这项技术成功的话，将有助于美国宇航局的主要科学学科和将人类送上月球和火星的努力。例如，这些微型平台可以部署在行星漫游器上探测少量的水和甲烷，或者用作监测或生物传感器，以维持宇航员的健康和安全。

这项工作的核心，是由美国宇航局空间技术任务理事会（STMD）早期职业计划（ECI）资助的，由波士顿东北大学的艾哈迈德·布斯尼纳及其团队开发的3D打印系统。3D打印系统就像是用来制作钱或报纸的打印机。然而，打印机不使用墨水，而是将纳米材料一层一层地应用到基板上，以产生微小的传感器。最终，每一个都能检测到不同的气体、压力水平或温度。

纳米材料，如碳纳米管、石墨烯、二硫化钼等，具有有趣的物理性质。它们非常敏感，在极端条件下稳定。Sultana说，它们重量轻，抗辐射能力强，所需功率小，是太空应用的理想选择。

在她与东北大学的合作下，Sultana和她的团队将设计传感器平台，确定哪种材料组合最适合测量分钟、十亿分之一浓度的水、氨、甲烷和氢——所有这些都对整个太阳系的生命搜寻很重要。利用她的设计，东北大学将使用其纳米胶印系统来应用纳米材料。一旦打印出来，Sultana的团队将通过沉积额外的纳米颗粒层来增强其灵敏度，将传感器与读出电子设备集成，并封装整个平台，从而使单个传感器功能化。

这一方法与技术人员目前制造多功能传感器平台的方法大不相同。3D打印不需要一次生成一个传感器，然后将其集成到其他组件中，而是允许技术人员在一个平台上打印一组传感器，从而大大简化了集成和包装过程。

会见马里兰州美国航天局戈达德航天飞行中心系统工程分部副主任马哈茂达·苏塔纳。马穆达利用她对数学和谜题的热爱，为美国宇航局的任务开发新技术和微型仪器。

此外，Sultana还计划在相同的硅片部分电路上打印一个无线通信系统，该系统将与地面控制器通信，进一步简化仪器设计和结构。一旦打印出来，传感器和无线天线将被包装在一块印刷电路板上，该电路板容纳电子设备、电源和其他通信电路。

“我们的理念之美在于，我们能够在同一基板上打印所有传感器和部分电路，这可能是刚性或柔性的。我们消除了许多包装和集成方面的挑战，”Sultana说。“这是一个真正的多功能传感器平台。我所有的传感器都在同一个芯片上，一个接一个地分层打印。”

广泛的用途

这项研究在美国宇航局资助的其他工作结束的地方得到了支持。在戈达德内部研发计划和STMD中心创新基金的资助下，Sultana和她的团队利用同样的技术制造和演示由碳纳米管和二硫化钼等材料制成的单个传感器。“传感器被发现相当敏感，低到百万分之一。在ECI的资助下，我们通过改进传感器的设计和结构来确定仪器对十亿分之几的敏感度，”Sultana说。

她说，该项目解决了美国宇航局对低功率、小体积、轻量和高灵敏度传感器的需求，这些传感器可以区分重要分子，而不是通过测量分子碎片的质量来区分重要分子，这就是目前使用质谱仪检测分子的任务数。

事实上，该机构已经承认，未来的传感器需要检测十亿分之一水平的气体和蒸汽的微小浓度。虽然质谱仪可以检测到广泛的分子光谱，特别是对未知样品有用的分子光谱，但它们很难区分一些重要的物种，如水、甲烷和氨。她说：“同样很难达到十亿分之一或超过十亿分之一的水平。”

苏丹说：“我们对这项技术的可能性感到非常兴奋。”“有了我们的资金，我们可以将这项技术提升到一个新的水平，并有可能为美国宇航局提供一种新的方式来创建定制的多功能传感器平台，我相信这将为所有类型的任务概念和用途打开大门。我们用来识别行星体上气体的方法也可以用来制造生物传感器，监测宇航员的健康状况以及航天器和生活区内污染物的水平。”