Znak Politechniki Warszawskiej

Wkład PW w misję Rosetta

Instrument MUPUS. Źródło: www.esa.int

W nadchodzących dniach lądownik Philae europejskiej misji Rosetta podejmie pierwsze w historii ludzkości badania geologiczne na powierzchni komety. W podłoże wbije się penetrator MUPUS, którego wyjątkowe parametry mechaniczne osiągnięto dzięki metodzie inżynierii powierzchni opracowanej na Wydziale Inżynierii Materiałowej PW. Zastosowano w nim także układ scalony Rosettabis zaprojektowano w Instytucie Mikroelektroniki i Optoelektroniki PW. 

Na powierzchni komety 67P/Czuriumow-Gierasimienko osiadł lądownik Philae europejskiej misji Rosetta. Uwieńczona sukcesem operacja oznacza, że już wkrótce zostaną podjęte pierwsze w dziejach prace geologiczne na powierzchni komety. W jej podłoże wbije się penetrator MUPUS, skonstruowany specjalnie do prac w mikrograwitacji. Został on zbudowany w Centrum Badań Kosmicznych Polskiej Akademii Nauk w Warszawie. Aby zagwarantować niezawodne działanie urządzenia w warunkach środowiska komety, elementy konstrukcyjne MUPUS-a poddano jednej z nowatorskich metod obróbek powierzchniowych, opracowanych na Wydziale Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej (WIM PW).

Penetrator geologiczny MUPUS to elektromagnetyczne urządzenie skonstruowane w taki sposób, aby podczas wbijania trzpienia w powierzchnię komety nie przenosić sił na lądownik. Liczne elementy penetratora wykonano ze stopu tytanu – materiału lekkiego, lecz o stosunkowo niskiej twardości. Aby powierzchnie elementów osiągnęły parametry mechaniczne wymagane dla urządzenia dedykowanego do prac geologicznych, należało je zmodyfikować za pomocą odpowiedniego procesu obróbki powierzchniowej. Warszawscy inżynierowie zaproponowali węgloazotowanie jarzeniowe.

- Trzeba pamiętać, że sam lot sondy do komety zajął 10 lat. Gdy pracowaliśmy nad elementami kosmicznego młotka, węgloazotowanie jarzeniowe stopów tytanu było technologią nowatorską w skali światowej - podkreśla prof. dr hab. inż. Tadeusz Wierzchoń, kierownik Zakładu Inżynierii Powierzchni na Wydziale Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej.

Węgloazotowanie tytanowych elementów MUPUS-a, polegające na wprowadzaniu atomów azotu i węgla w ich warstwy wierzchnie, zostało przeprowadzone w niskotemperaturowej plazmie poprzez połączenie procesów azotowania i nawęglania jarzeniowego. W jego wyniku powierzchnia obrabianych detali stała się twarda, odporna na ścieranie, a jej współczynnik tarcia, szczególnie istotny dla elementów mechanicznych współpracujących w próżni, był niski. Jednocześnie tak wytworzona dyfuzyjna warstwa powierzchniowa węgloazotka tytanu charakteryzowała się dobrą przyczepnością do podłoża.

Jakość elementów penetratora MUPUS, poddanych obróbce na Wydziale Inżynierii Materiałowej PW, oceniały niezależne, renomowane instytucje naukowe, m.in. Space Research Institute (Institut für Weltraumforschung, IWF) w Graz w Austrii oraz Max Planck Institute for Aeronomy w Lindau w Niemczech (obecnie Max Planck Institute for Solar System Research).

Dziś inżynierowie WIM PW stosują i rozwijają różne procesy obróbek jarzeniowych tytanu i jego stopów (w tym na potencjale plazmy), umożliwiające wytwarzanie m.in. złożonych warstw kompozytowych. Używane obecnie procesy pozwalają zachować pełną kontrolę nad strukturą, składem fazowym i chemicznym oraz gładkością powierzchni wytwarzanych warstw, umożliwiają więc precyzyjne kształtowanie właściwości obrabianych wyrobów w zależności od ich przeznaczenia. Jednocześnie metody te gwarantują wytwarzanie dyfuzyjnych warstw o jednorodnej grubości na detalach o bardzo skomplikowanych kształtach.

- Świetnym przykładem możliwości obróbek jarzeniowych tytanu i jego stopów są elementy pompy wirowej wspomagającej pracę serca, nad którymi obecnie pracujemy. Zawierają one m.in. detale o grubości zaledwie 0,4 mm, z otworami średnicy 0,6 mm. Innymi słowy, mamy do dyspozycji metody inżynierii powierzchni, które można stosować nawet w przypadku obróbki powierzchniowej tych wyrobów, gdzie wymagana tolerancja wymiarowa sięga mikrometrów - mówi prof. Tadeusz Wierzchoń.

Doskonałe własności mechaniczne i biologiczne elementów poddanych obróbce powierzchniowej na Wydziale Inżynierii Materiałowej PW znalazły zastosowanie w najbardziej zaawansowanych technologicznie projektach. Oprócz narażonych na bezpośredni kontakt z krwią elementów pompy wirowej wspomagającej pracę serca i elementów zastawek serca, warszawscy inżynierowie przygotowują m.in. elementy protezy stawu biodrowego, stenty, implanty kostne stymulujące wzrost tkanki kostnej, a także części silników lotniczych i narzędzia o zwiększonej trwałości i niezawodności, wykonane z węglików spiekanych.

Kolejnym wyzwaniem stojącym przed konstruktorami przyrządu MUPUS z Centrum Badań Kosmicznych PAN była konieczność zintegrowania w niewielkiej rozmiarów głowicy penetratora stosunkowo złożonej elektroniki sterującej pracą czujników i dokonujących wstępnego przetwarzania pomiarów. Umieszczenie elektroniki w głowicy było niezbędne, aby uniknąć prowadzenia dużej liczby przewodów pomiędzy lądownikiem a  penetratorem.

Zadanie to można było rozwiązać wyłącznie poprzez zastosowanie specjalizowanego układu scalonego (ASIC), który zintegrowałby dużą część bloków, które pierwotnie konstruktorzy penetratora zrealizowali za pomocą komercyjnych układów scalonych takich jak wzmacniacze operacyjne i matryce programowalne EPLD.

Układ ten nazwany Rosetta oraz jego bardziej rozbudowana wersja Rosettabis zostały zaprojektowane w Instytucie Mikroelektroniki i Optoelektroniki Politechniki Warszawskiej. Oba te układy scalone zostały wyprodukowane i działały bezbłędnie.

Chip Rosettabis wspomaga dwa tryby pracy penetratora: pomiary przewodnictwa cieplnego i gęstości jądra komety. Zawiera autorski interfejs szeregowy do komunikacji z lądownikiem, przetworniki cyfrowo-analogowe dostarczające napięć odniesienia, moduły sterowania czujnikami do badania przewodnictwa cieplnego oraz detektory impulsów generowanych przez czujniki wykorzystywane  do badania gęstości.

Do realizacji projektu wybrano technologię CMOS o wymiarze charakterystycznym 0,8 mikrometra, oferowaną przez Austria Microsystems. Układ Rosettabis wyprodukowano w 1999 r. za pośrednictwem konsorcjum Europractice, które umożliwia ośrodkom akademickim dostęp do profesjonalnego oprogramowania EDA, przemysłowych technologii mikroelektronicznych oraz dotuje wytwarzanie prototypów układów scalonych.

Finalny układ scalony ma wymiary 3,15 mm x 3,12 mm i zawiera w części cyfrowej ok. 2500 bramek logicznych a w części analogowej ok. 2000 tranzystorów. Układ zamontowano w obudowie JLCC84. Koszt koszt produkcji Rosettabis wyniósł ok. 2800 euro.

Układ został zaprojektowany przez dra inż. Zbigniewa Jaworskiego w Zespole Metod Projektowania w Mikroelektronice.  

Tradycja badań materiałowych na Politechnice Warszawskiej sięga lat 20. XX wieku i prac profesorów Jana Czochralskiego i Witolda Broniewskiego. Obecnie Wydział Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej jest jednym z czołowych ośrodków naukowo-badawczych w Polsce w dziedzinie nauki o materiałach i inżynierii materiałowej. Specjalnością Wydziału są badania in-situ odkształcania próbek z jednoczesną obserwacją za pomocą mikroskopii świetlnej oraz elektronowej, skaningowej i transmisyjnej.

źródło: Wydział Inżynierii Materiałowej Politechniki Warszawskiej, Instytut Mikroelektroniki i Optoelektroniki WEiTI