Laser Sintering Gold Platinum Conductivity Sensors for Water Reclamation Processes in Space
本文研究了利用 445 nm 激光在氧化铝基底上烧结金-铂-钯墨水，通过增材制造技术创建用于长期太空任务中自主水回收监测的导电传感器。
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在深邃寂静的太空之中，真空是绝对的，与地球的距离以数月的航程来衡量，人类生存最关键的资源并非氧气或食物，而是水。在长期的任务中，例如计划中的月球和火星之旅，宇航员无法携带足够的饮用水。相反，他们必须依赖能够回收每一滴液体的系统，将尿液和汗液重新转化为可饮用的水。为了让这些生命维持系统安全运行，工程师需要能够不断监测水质纯度的传感器。然而，用于净化尿液的化学物质极其具有腐蚀性，能在短短几天内蚀毁标准的电子传感器。几十年来，解决方案一直是携带来自地球的备用传感器，但对于可能持续数年的任务来说，携带无限数量的备件是不可能的。目标是在空间站内，利用现有的有限材料和能源，就地制造出这些传感器。
这一挑战促使来自俄勒冈州立大学和美国国家航空航天局（NASA）的研究小组探索一种制造这些重要工具的新方法。他们专注于一种专门设计用于测量水导电能力的传感器，而导电能力是衡量水质纯度的关键指标。研究人员调查了一种称为激光烧结的方法，该方法使用聚焦光束将微小的金属颗粒熔合在一起，形成一条坚固的导电线。与需要大型、高耗能烤箱来烘烤材料的传统制造工艺不同，这种技术利用激光快速完成工作，且能耗极低。团队测试了一种由金、铂和少量钯组成的特殊墨水，选择这些金属是因为它们对空间水循环系统中发现的腐蚀性酸具有高度抗性。核心问题在于，这种墨水是否可以被打印在陶瓷片上，然后仅使用激光将其熔合为一个工作的传感器，而无需使用传统的熔炉。
研究人员首先使用专为太空设计的3D打印机将金属墨水打印在陶瓷片上，该打印机通过一个微小的喷嘴将墨水推出。他们制作了三种不同厚度的传感器，以观察材料在不同条件下的表现。最厚的样品厚度约为40微米，其次是一组10微米的样品，而最薄的样品为6微米，是通过丝网印刷法制成的。为了准备激光烧结所需的墨水，团队必须先对其进行干燥处理。这种墨水的标准说明要求将其加热到150摄氏度并持续15分钟，但用于太空任务的打印机最高只能达到100摄氏度。团队测试了仅靠较低温度是否足以干燥墨水，或者是否需要使用激光本身来提供额外的热量。他们发现，仅靠较低温度进行干燥不足以去除墨水中的液体溶剂，会导致传感器不具备导电性。然而，当他们使用去焦激光束轻轻加热墨水，或者将低热量与激光结合使用时，墨水便能得到妥善干燥。
墨水干燥后，团队使用蓝色激光烧结金属颗粒，有效地将它们焊接在一起，从而创造出电流流动的路径。他们尝试了不同的设置，改变了激光的功率、激光在传感器上移动的速度以及激光束的大小。对于厚度仅为6微米的最薄传感器，他们发现使用中速移动的聚焦激光束可以完美熔合金属，从而制造出电阻极低的传感器。然而，如果激光功率过大或移动速度过慢，则会过度熔化金属，导致陶瓷片开裂或将金属烧掉。对于较厚的传感器，这一过程则更为困难。激光往往会导致金属从表面剥落，或以破坏传感器形状的方式发生扩散。团队发现，对于这些较厚的层，使用去焦激光束效果更好，因为它可以更温和地扩散热量，在不破坏结构的情况下熔合金属。
当研究人员尝试将金属引脚连接到传感器以便与计算机连接时，迎来了一项关键测试。他们发现，这些引脚的焊接能力很大程度上取决于传感器的干燥和烧结方式。在较高温度下完全干燥或仅靠激光干燥的传感器能牢固地固定引脚。相比之下，仅在较低温度下进行部分干燥的传感器无法固定引脚，导致引脚在测试过程中脱落。这揭示了一个微妙但重要的细节：传感器的厚度改变了其所需的处理方式。薄传感器需要完全干燥才能实现良好结合，而较厚的传感器似乎需要极少量的残留溶剂来帮助金属粘附在陶瓷基底上。
最后，团队将制成的传感器浸入标准盐水溶液中，以测试其是否能准确测量电导率。传感器发挥了预期作用。随着盐度的变化，来自传感器的电信号呈现出可预测的线性变化模式。这证实了激光烧结的金铂传感器可以可靠地检测水的纯度。该研究表明，利用激光和3D打印机制造这些耐腐蚀传感器是可行的，从而绕过了对沉重熔炉的需求。虽然该过程需要根据墨水厚度对激光设置进行精细调节，但结果表明，在空间内按需制造传感器有着清晰的路径。这种能力将允许宇航员即时更换损坏的传感器，确保他们的水循环系统在漫长的旅途中保持安全且功能完好。
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