Uma equipe de Goddard está usando um laser ultrarrápido para unir materiais diferentes, com o objetivo de, em última análise, eliminar os epóxis que emitem gases e contaminam os componentes sensíveis da espaçonave. Aqui são mostradas algumas amostras (da esquerda para a direita):sílica soldada ao cobre; sílica soldada ao Invar; e safira soldada ao Invar. Crédito:NASA / W. Hrybyk
Um laser ultrarrápido que dispara pulsos de luz com apenas 100 milionésimos de nanossegundo de duração pode revolucionar a maneira como os técnicos da NASA fabricam e, por fim, montam componentes de instrumentos feitos de materiais diferentes.
Uma equipe de físicos ópticos do Goddard Space Flight Center da NASA em Greenbelt, Maryland, está fazendo experiências com um laser de femtossegundo e já mostrou que pode soldar vidro com cobre com eficácia, vidro com vidro, e perfurar orifícios do tamanho de um cabelo em diferentes materiais.
Agora o grupo, liderado pelo físico óptico Robert Lafon, está expandindo sua pesquisa em vidros mais exóticos, como safira e Zerodur, e metais, como titânio, Invar, Kovar, e alumínio - materiais freqüentemente usados em instrumentos de voos espaciais. O objetivo é soldar peças maiores desses materiais e mostrar que a tecnologia a laser é eficaz na aderência de janelas em invólucros de laser e ótica em montagens de metal, entre outras aplicações.
Com o apoio do programa Centro de Inovação da Diretoria de Missão de Tecnologia Espacial, o grupo também está explorando o uso da tecnologia na fabricação e embalagem de circuitos integrados fotônicos, uma tecnologia emergente que pode beneficiar tudo, desde comunicações e centros de dados a sensores ópticos. Embora sejam semelhantes aos circuitos integrados eletrônicos, circuitos integrados fotônicos são fabricados em uma mistura de materiais, incluindo sílica e silício, e usar luz visível ou infravermelha, em vez de elétrons, para transferir informações.
"Isso começou como pesquisa pura, mas agora esperamos começar a aplicar o que aprendemos na fabricação de instrumentos aqui em Goddard, "Lafon disse, referindo-se ao trabalho que ele e sua equipe, incluindo Frankie Micalizzi e Steve Li, estão usando para fazer experiências com diferentes materiais e técnicas que podem beneficiar as aplicações de voos espaciais. “Já vimos quais seriam as aplicações. Nesse caso, pesquisar pela pesquisa é do nosso interesse, "Lafon disse.
Steve Li (à esquerda), Frankie Micalizzi (meio), e Robert Lafon (à direita) estão usando um laser ultrarrápido para unir materiais diferentes e gravar canais microscópicos ou guias de onda através dos quais a luz poderia viajar em circuitos integrados fotônicos e transmissores de laser. Crédito:NASA / W. Hrybyk
As virtudes da tecnologia
O próprio laser é fundamental para o avanço dessas aplicações. Em virtude de seus pulsos curtos - medidos em um quatrilionésimo de segundo - um laser ultrarrápido interage com os materiais de uma maneira única, Lafon disse. A energia do laser não derrete o material visado. Ele o vaporiza sem aquecer a matéria circundante.
Como resultado, os técnicos podem direcionar com precisão o laser e unir materiais diferentes que, de outra forma, não poderiam ser fixados sem os epóxis. "Não é possível unir vidro a metal diretamente, "Lafon disse." Você tem que usar epóxi, que liberta gases e deposita contaminantes nos espelhos e outros componentes sensíveis do instrumento. Esta pode ser uma aplicação séria. Queremos nos livrar dos epóxis. Já começamos a entrar em contato com outros grupos e missões para ver como esses novos recursos podem beneficiar seus projetos. "
Outra aplicação importante é na área de microusinagem. "A capacidade de remover pequenos volumes de material sem danificar a matéria circundante nos permite mecanizar características microscópicas, "Lafon acrescentou.
Os recursos microscópicos incluem tudo, desde perfurados, orifícios do tamanho de um cabelo em metais - uma aplicação que a equipe já demonstrou - para gravar canais microscópicos ou guias de onda através dos quais a luz poderia viajar em circuitos integrados fotônicos e transmissores de laser. Os mesmos guias de onda podem permitir que os líquidos fluam através de dispositivos microfluídicos e chips necessários para análises químicas e resfriamento de instrumentos.
Ampla aplicabilidade para projetos da NASA
"Os lasers ultrarrápidos oferecem mudanças fundamentais na forma como podemos microprocessar materiais, "disse Ted Swanson, tecnólogo sênior para integração estratégica na Goddard. "O trabalho da equipe neste esforço de pesquisa permitirá que Goddard adapte essa tecnologia emergente a uma ampla variedade de aplicações de voo."
Para esse fim, a equipe - entre trabalhar em vários projetos de comunicação a laser de alto perfil da NASA, incluindo a Demonstração do Relé de Comunicações a Laser - planos para compilar uma biblioteca de recursos de microusinagem e soldagem. "Assim que pudermos demonstrar essa capacidade de maneira confiável, tentaremos aplicá-lo aos desafios existentes aqui em Goddard. Nossa pesquisa inicial está mostrando que essa tecnologia pode ser aplicada a um grande número de projetos na NASA, "Lafon disse.
