Laser Sintering Gold Platinum Conductivity Sensors for Water Reclamation Processes in Space
यह शोध पत्र लंबी अवधि के अंतरिक्ष मिशनों में स्वायत्त जल पुनरुद्धार निगरानी के लिए एडिटिव मैन्युफैक्चरिंग के माध्यम से कंडक्टिव सेंसर बनाने हेतु एलुमिना सबस्ट्रेट्स पर गोल्ड-प्लैटिनम-पैलेडियम इंक को सिंटर करने के लिए 445 एनएम लेजर के उपयोग की जांच करता है।
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अंतरिक्ष के सन्नाटे में गहराई में, जहाँ निर्वात पूर्ण है और पृथ्वी से दूरी महीनों की यात्रा में मापी जाती है, मानव अस्तित्व के लिए सबसे महत्वपूर्ण संसाधन ऑक्सीजन या भोजन नहीं, बल्कि पानी है। चंद्रमा और मंगल की नियोजित यात्राओं जैसे लंबी अवधि के मिशनों पर, अंतरिक्ष यात्री पूरी यात्रा के लिए पर्याप्त पानी अपने साथ नहीं ले जा सकते। इसके बजाय, उन्हें उन प्रणालियों पर भरोसा करना होगा जो तरल की हर बूंद को पुनर्चक्रित (रिसायकल) करती है, मूत्र और पसीने को वापस पीने योग्य पानी में बदल देती है। इन जीवन-रक्षक प्रणालियों को सुरक्षित रूप से चलाने के लिए, इंजीनियरों को ऐसे सेंसर की आवश्यकता होती है जो पानी की शुद्धता की निरंतर निगरानी कर सकें। हालाँकि, मूत्र को शुद्ध करने के लिए उपयोग किए जाने वाले रसायन अत्यंत कठोर होते हैं, जो कुछ ही दिनों में मानक इलेक्ट्रॉनिक सेंसरों को नष्ट करने में सक्षम होते हैं। दशकों से, समाधान यह रहा है कि पृथ्वी से अतिरिक्त सेंसर लाए जाएं, लेकिन एक ऐसे मिशन के लिए जो वर्षों तक चल सकता है, अनंत अतिरिक्त सेंसर ले जाना असंभव है। लक्ष्य इन सेंसरों को अंतरिक्ष में ही, अंतरिक्ष यान पर उपलब्ध सीमित सामग्री और शक्ति का उपयोग करके बनाना है।
इस चुनौती ने ओरेगन स्टेट यूनिवर्सिटी और नासा के शोधकर्ताओं की एक टीम को इन महत्वपूर्ण उपकरणों को बनाने के एक नए तरीके को खोजने के लिए प्रेरित किया। उन्होंने एक विशिष्ट प्रकार के सेंसर पर ध्यान केंद्रित किया जिसे यह मापने के लिए डिज़ाइन किया गया है कि पानी बिजली का संचालन कितनी अच्छी तरह करता है, जो इसकी शुद्धता का एक प्रमुख संकेतक है। शोधकर्ताओं ने लेजर सिंटरिंग (laser sintering) नामक एक विधि की जांच की, जो धातु के सूक्ष्म कणों को एक ठोस, प्रवाहकीय रेखा में जोड़ने के लिए प्रकाश की एक केंद्रित किरण का उपयोग करती है। भारी, अत्यधिक ऊर्जा खपत करने वाले ओवन की आवश्यकता वाले पारंपरिक विनिर्माण के विपरीत, यह तकनीक काम को तेजी से और न्यूनतम ऊर्जा के साथ करने के लिए लेजर का उपयोग करती है। टीम ने सोने, प्लैटिनम और पैलेडियम की एक छोटी मात्रा से बनी एक विशेष स्याही का परीक्षण किया, जिसे इसलिए चुना गया क्योंकि ये धातुएं अंतरिक्ष जल पुनर्चक्रण प्रणालियों में पाए जाने वाले संक्षारक अम्लों के प्रति अत्यधिक प्रतिरोधी होती हैं। केंद्रीय प्रश्न यह था कि क्या इस स्याही को एक सिरेमिक टाइल पर प्रिंट किया जा सकता है और फिर केवल एक लेजर का उपयोग करके, बिना किसी पारंपरिक भट्टी की आवश्यकता के, एक कामकाजी सेंसर में फ्यूज किया जा सकता है।
शोधकर्ताओं ने अंतरिक्ष के लिए डिज़ाइन किए गए एक 3D प्रिंटर का उपयोग करके सिरेमिक टाइल्स पर धातु की स्याही को प्रिंट करना शुरू किया, जो स्याही को एक सूक्ष्म नोजल के माध्यम से बाहर धकेलता है। उन्होंने यह देखने के लिए कि सामग्री विभिन्न परिस्थितियों में कैसे व्यवहार करती है, तीन अलग-अलग मोटाई के सेंसर बनाए। सबसे मोटे नमूने लगभग चालीस माइक्रोमीटर मोटे थे, उसके बाद दस माइक्रोमीटर के एक सेट का पालन किया गया, जबकि सबसे पतले नमूने छह माइक्रोमीटर मोटे थे और उन्हें स्क्रीन-प्रिंटिंग विधि का उपयोग करके बनाया गया था। स्याही को लेजर के लिए तैयार करने के लिए, टीम को पहले इसे सुखाना था। इस स्याही के लिए मानक निर्देश इसे पंद्रह मिनट के लिए 150 डिग्री सेल्सियस पर गर्म करने के लिए कहते हैं, लेकिन अंतरिक्ष मिशनों के लिए इच्छित प्रिंटर केवल 100 डिग्री तक ही पहुँच सकता है। टीम ने परीक्षण किया कि क्या वे केवल कम तापमान का उपयोग करके स्याही को सुखा सकते हैं, या क्या उन्हें अतिरिक्त गर्मी प्रदान करने के लिए लेजर का ही उपयोग करने की आवश्यकता है। उन्होंने पाया कि केवल कम तापमान पर सुखाने से स्याही से तरल विलायक (सॉल्वेंट) को निकालना पर्याप्त नहीं था, जिससे सेंसर गैर-प्रवाहकीय रह गया। हालाँकि, जब उन्होंने स्याही को धीरे से गर्म करने के लिए एक डिफोकस लेड (defocused) लेजर बीम का उपयोग किया, या कम गर्मी को लेजर के साथ मिलाया, तो स्याही ठीक से सूख गई।
एक बार जब स्याही सूख गई, तो टीम ने धातु के कणों को सिंटर करने के लिए एक नीले लेजर का उपयोग किया, जिससे प्रभावी रूप से बिजली के प्रवाह के लिए एक पथ बनाने हेतु उन्हें आपस में वेल्ड कर दिया गया। उन्होंने लेजर की शक्ति, सेंसर पर लेजर के चलने की गति और लेजर बीम के आकार को बदलकर विभिन्न सेटिंग्स के साथ प्रयोग किया। सबसे पतले सेंसरों के लिए, जो केवल छह माइक्रोमीटर मोटे थे, उन्होंने पाया कि मध्यम गति से चलने वाला एक केंद्रित लेजर बीम धातु को पूरी तरह से फ्यूज कर सकता है, जिससे बहुत कम विद्युत प्रतिरोध वाला सेंसर बनता है। हालाँकि, यदि लेजर बहुत शक्तिशाली था या बहुत धीरे चला, तो इसने धातु को इतनी आक्रामक तरीके से पिघला दिया कि सिरेमिक टाइल में दरार आ गई या धातु पूरी तरह से जल गई। मोटे सेंसरों के लिए, प्रक्रिया अधिक कठिन थी। लेजर की प्रवृत्ति धातु को सतह से छीलने या इस तरह फैलने की थी जिससे सेंसर का आकार बिगड़ जाता। टीम ने पाया कि इन मोटे परतों के लिए, एक डिफोकस लेड लेजर बीम बेहतर काम करता है, जो संरचना को नष्ट किए बिना धातु को फ्यूज करने के लिए गर्मी को अधिक कोमलता से फैलाता है।
एक महत्वपूर्ण परीक्षण तब आया जब शोधकर्ताओं ने सेंसर को कंप्यूटर से जोड़ने के लिए उनमें धातु के पिन लगाने का प्रयास किया। उन्होंने पाया कि इन पिनों को सोल्डर करने की क्षमता काफी हद तक इस बात पर निर्भर करती है कि सेंसर को कैसे सुखाया और सिंटर किया गया है। वे सेंसर जिन्हें उच्च तापमान पर या केवल लेजर द्वारा पूरी तरह से सुखाया गया था, उन्होंने पिनों को मजबूती से पकड़ लिया। इसके विपरीत, वे सेंसर जिन्हें केवल कम तापमान पर आंशिक रूप से सुखाया गया था, पिनों को पकड़ने में विफल रहे, जिससे परीक्षण के दौरान वे गिर गए। इससे एक सूक्ष्म लेकिन महत्वपूर्ण विवरण का पता चला: सेंसर की मोटाई ने यह बदल दिया कि उसे कैसे उपचारित करने की आवश्यकता है। पतले सेंसरों को ठीक से जुड़ने के लिए पूर्ण सुखाने की आवश्यकता थी, जबकि मोटे सेंसरों को सिरेमिक आधार से धातु को चिपकाने में मदद करने के लिए थोड़े से शेष विलायक की आवश्यकता प्रतीत हुई।
अंत में, टीम ने यह देखने के लिए तैयार किए गए सेंसरों को मानक नमक के घोल में डुबोया कि क्या वे चालकता को सटीक रूप से माप सकते हैं। सेंसर ने इच्छित कार्य किया। जैसे-जैसे पानी का खारापन बदला, सेंसर से मिलने वाला विद्युत संकेत एक अनुमानित, सीधी रेखा के पैटर्न में बदल गया। इसने पुष्टि की कि लेजर-सिंटर किए गए गोल्ड-प्लैटिनम सेंसर विश्वसनीय रूप से पानी की शुद्धता का पता लगा सकते हैं। अध्ययन ने प्रदर्शित किया कि यह संभव है कि इन संक्षारण-प्रतिरोधी सेंसरों को लेजर और 3D प्रिंटर का उपयोग करके बनाया जाए, जिससे भारी भट्टियों की आवश्यकता समाप्त हो जाती है। हालांकि इस प्रक्रिया के लिए स्याही की मोटाई के आधार पर लेजर सेटिंग्स को सावधानीपूर्वक ट्यून करने की आवश्यकता थी, लेकिन परिणामों ने अंतरिक्ष में मांग पर सेंसर बनाने की ओर एक स्पष्ट मार्ग दिखाया। यह क्षमता अंतरिक्ष यात्रियों को क्षतिग्रस्त सेंसरों को तुरंत बदलने की अनुमति देगी, जिससे यह सुनिश्चित होगा कि लंबी यात्रा के लिए उनके जल पुनर्चक्रण तंत्र सुरक्षित और कार्यात्मक बने रहें।
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