Un team di Goddard sta usando un laser ultraveloce per unire materiali dissimili, con l'obiettivo di eliminare definitivamente le resine epossidiche che emettono gas e contaminano i componenti sensibili dei veicoli spaziali. Qui sono mostrati alcuni campioni (da sinistra a destra):silice saldata al rame; silice saldata a Invar; e zaffiro saldato a Invar. Credito:NASA/W. Hrybyk
Un laser ultraveloce che emette impulsi di luce di appena 100 milionesimi di nanosecondo di durata potrebbe potenzialmente rivoluzionare il modo in cui i tecnici della NASA producono e infine assemblano componenti di strumenti realizzati con materiali dissimili.
Un team di fisici ottici presso il Goddard Space Flight Center della NASA a Greenbelt, Maryland, sta sperimentando un laser a femtosecondi e ha già dimostrato di poter saldare efficacemente il vetro al rame, vetro su vetro, e praticare fori stenopeici delle dimensioni di un capello in diversi materiali.
Ora il gruppo, guidato dal fisico ottico Robert Lafon, sta ampliando la sua ricerca su vetri più esotici, come zaffiro e Zerodur, e metalli, come il titanio, Invar, Kovar, e alluminio, materiali spesso utilizzati negli strumenti di volo spaziale. L'obiettivo è saldare pezzi più grandi di questi materiali e dimostrare che la tecnologia laser è efficace nell'incollare finestre su alloggiamenti e ottiche laser su supporti metallici, tra le altre applicazioni.
Con il sostegno del programma Centre Innovation Fund della Space Technology Mission Directorate, il gruppo sta anche esplorando l'uso della tecnologia nella fabbricazione e nel confezionamento di circuiti integrati fotonici, una tecnologia emergente che potrebbe beneficiare di tutto, dalle comunicazioni e dai data center ai sensori ottici. Sebbene siano simili ai circuiti integrati elettronici, circuiti integrati fotonici sono fabbricati su una miscela di materiali, tra cui silice e silicio, e utilizzare la luce visibile o infrarossa, al posto degli elettroni, per trasferire informazioni.
"Questo è iniziato come pura ricerca, ma ora speriamo di iniziare ad applicare ciò che abbiamo imparato alla fabbricazione di strumenti qui a Goddard, "Lafon ha detto, riferendosi al lavoro lui e la sua squadra, tra cui Frankie Micalizzi e Steve Li, stanno usando per sperimentare diversi materiali e tecniche che potrebbero avvantaggiare le applicazioni di volo spaziale. "Vediamo già quali potrebbero essere le applicazioni. In questo caso, la ricerca per la ricerca è nel nostro interesse, " ha detto Lafon.
Steve Li (a sinistra), Frankie Micalizzi (al centro), e Robert Lafon (a destra) stanno usando un laser ultraveloce per legare materiali dissimili e incidere canali microscopici o guide d'onda attraverso i quali la luce potrebbe viaggiare in circuiti integrati fotonici e trasmettitori laser. Credito:NASA/W. Hrybyk
Le virtù della tecnologia
Fondamentale per far progredire queste applicazioni è il laser stesso. In virtù dei suoi brevi impulsi, misurati a un quadrilionesimo di secondo, un laser ultraveloce interagisce con i materiali in un modo unico, disse Lafon. L'energia laser non fonde il materiale mirato. Lo vaporizza senza riscaldare la materia circostante.
Di conseguenza, i tecnici possono puntare con precisione il laser e incollare materiali dissimili che altrimenti non potrebbero essere fissati senza resine epossidiche. "Non è possibile unire direttamente il vetro al metallo, " Ha detto Lafon. "Devi usare resina epossidica, che degassifica e deposita contaminanti su specchi e altri componenti sensibili dello strumento. Questa potrebbe essere un'applicazione seria. Vogliamo sbarazzarci degli epossidici. Abbiamo già iniziato a contattare altri gruppi e missioni per vedere come queste nuove capacità potrebbero avvantaggiare i loro progetti".
Un'altra importante applicazione è nel campo della microlavorazione. "La capacità di rimuovere piccoli volumi di materiale senza danneggiare la materia circostante ci consente di lavorare caratteristiche microscopiche, " ha aggiunto Lafon.
Le caratteristiche microscopiche includono tutto, da forato, fori di spillo grandi come capelli nei metalli, un'applicazione che il team ha già dimostrato, per incidere canali microscopici o guide d'onda attraverso i quali la luce potrebbe viaggiare in circuiti integrati fotonici e trasmettitori laser. Le stesse guide d'onda potrebbero consentire ai liquidi di fluire attraverso dispositivi microfluidici e chip necessari per le analisi chimiche e il raffreddamento degli strumenti.
Ampia applicabilità ai progetti della NASA
"I laser ultraveloci offrono cambiamenti fondamentali nel modo in cui possiamo microlavorare i materiali, " disse Ted Swanson, tecnologo senior per l'integrazione strategica presso Goddard. "Il lavoro del team su questo sforzo di ricerca consentirà a Goddard di adattare questa tecnologia emergente a un'ampia varietà di applicazioni di volo".
A quello scopo, il team, tra il lavoro su diversi progetti di comunicazione laser di alto profilo della NASA, inclusa la dimostrazione del relè di comunicazione laser, prevede di compilare una libreria di capacità di microlavorazione e saldatura. "Una volta che saremo in grado di dimostrare questa capacità in modo affidabile, cercheremo di applicarlo alle sfide esistenti qui a Goddard. La nostra ricerca iniziale sta dimostrando che questa tecnologia potrebbe essere applicata a un gran numero di progetti in tutta la NASA, " ha detto Lafon.
