El equipo de la NASA investiga el mecanizado láser ultrarrápido para múltiples aplicaciones de vuelos espaciales

Un láser ultrarrápido que dispara pulsos de luz de sólo 100 millonésimas de nanosegundo de duración podría potencialmente revolucionar la forma en que los técnicos de la NASA fabrican y, en última instancia, ensamblan componentes de instrumentos hechos de materiales diferentes.

Un equipo de físicos ópticos del Centro de Vuelos Espaciales Goddard de la NASA en Greenbelt, Maryland, está experimentando con un láser de femtosegundo y ya ha demostrado que puede soldar eficazmente vidrio con cobre, vidrio con vidrio y perforar orificios del tamaño de un cabello en diferentes materiales.

Ahora el grupo, dirigido por el físico óptico Robert Lafon, está ampliando su investigación hacia vidrios más exóticos, como el zafiro y Zerodur, y metales, como el titanio, el Invar, el Kovar y el aluminio, materiales que se utilizan a menudo en los instrumentos de los vuelos espaciales. El objetivo es soldar piezas más grandes de estos materiales y demostrar que la tecnología láser es eficaz para adherir ventanas a carcasas de láser y ópticas a soportes metálicos, entre otras aplicaciones.

Con el apoyo del programa del Fondo de Innovación del Centro de la Dirección de Misiones de Tecnología Espacial, el grupo también está explorando el uso de la tecnología en la fabricación y empaquetado de circuitos integrados fotónicos, una tecnología emergente que podría beneficiar a todo, desde comunicaciones y centros de datos hasta sensores ópticos. Aunque son similares a los circuitos integrados electrónicos, los circuitos integrados fotónicos se fabrican con una mezcla de materiales, incluidos sílice y silicio, y utilizan luz visible o infrarroja, en lugar de electrones, para transferir información.

"Esto comenzó como pura investigación, pero ahora esperamos comenzar a aplicar lo que hemos aprendido a la fabricación de instrumentos aquí en Goddard", dijo Lafon, refiriéndose al trabajo que él y su equipo, incluidos Frankie Micalizzi y Steve Li, están utilizando para Experimentar con diferentes materiales y técnicas que podrían beneficiar las aplicaciones de vuelos espaciales. “Ya vemos cuáles podrían ser las aplicaciones. En este caso, la investigación por la investigación es lo mejor para nosotros”, afirmó Lafon.

Las virtudes de la tecnología

Un elemento central para el avance de estas aplicaciones es el propio láser. En virtud de sus pulsos cortos, medidos en una billonésima de segundo, un láser ultrarrápido interactúa con los materiales de una manera única, dijo Lafon. La energía del láser no derrite el material objetivo. Lo vaporiza sin calentar la materia circundante.

Como resultado, los técnicos pueden apuntar con precisión al láser y unir materiales diferentes que de otro modo no podrían unirse sin epoxis. "No es posible unir directamente el vidrio al metal", afirmó Lafon. “Hay que utilizar epoxi, que desgasifica y deposita contaminantes en los espejos y otros componentes sensibles de los instrumentos. Esta podría ser una aplicación seria. Queremos deshacernos de los epoxis. Ya hemos comenzado a comunicarnos con otros grupos y misiones para ver cómo estas nuevas capacidades podrían beneficiar sus proyectos”.

Otra aplicación importante es en el área del micromecanizado. "La capacidad de eliminar pequeños volúmenes de material sin dañar la materia circundante nos permite mecanizar características microscópicas", añadió Lafon.

Las características microscópicas incluyen de todo, desde orificios del tamaño de un cabello en metales (una aplicación que el equipo ya demostró) hasta grabar canales microscópicos o guías de ondas a través de los cuales la luz podría viajar. circuitos integrados fotónicos y transmisores láser. Las mismas guías de ondas podrían permitir que los líquidos fluyan a través de dispositivos y chips de microfluidos necesarios para análisis químicos y enfriamiento de instrumentos.

Aplicabilidad generalizada a proyectos de la NASA

"Los láseres ultrarrápidos ofrecen cambios fundamentales en la forma en que podemos microprocesar materiales", dijo Ted Swanson, tecnólogo senior de integración estratégica en Goddard. "El trabajo del equipo en este esfuerzo de investigación permitirá a Goddard adaptar esta tecnología emergente a una amplia variedad de vuelos aplicaciones.”

Con ese fin, el equipo, que trabaja en varios de los proyectos de alto perfil de la NASA láser proyectos de comunicaciones, incluida la demostración de retransmisión de comunicaciones láser, planea compilar una biblioteca de capacidades de micromecanizado y soldadura. “Una vez que podamos demostrar esta capacidad de manera confiable, intentaremos aplicarla a los desafíos existentes aquí en Goddard. Nuestra investigación inicial muestra que esta tecnología podría aplicarse a una gran cantidad de proyectos en la NASA”, dijo Lafon.