Leichte Weltraumstrukturen wie Cubesats, ausfahrbare Solarmodule, Antennenarrays und Weltraumteleskope sind auf kompakte, effiziente Designs angewiesen, um die Startkosten zu minimieren und die Funktionalität zu maximieren. Neue Forschungen der University of Illinois liefern erhebliche Fortschritte für diese Anwendungen, indem sie flexible Elektronik in selbstausfahrende Ausleger integrieren.
Forscher haben einen 20 Gramm schweren, selbstentfaltbaren Ausleger mit integrierter flexibler Elektronik für den Einsatz in CubeSats entwickelt. Der Ausleger besteht aus dünnem Kohlefaserverbundwerkstoff und ist mit Sensoren und LEDs ausgestattet, um rauen Weltraumbedingungen standzuhalten und die Einsatzüberwachung und -visualisierung zu unterstützen.
Leichtbau ist für Weltraumstrukturen von entscheidender Bedeutung, insbesondere für Werkzeuge für kompakte, leichte Satelliten. Vielseitigkeit ist ein zusätzlicher Vorteil. Um diesen Anforderungen auf neuartige Weise gerecht zu werden, ist es Forschern der University of Illinois in Urbana-Champaign gelungen, flexible Elektronik mit einem dreischichtigen, selbstentfaltbaren Ausleger zu kombinieren, der nur 20 Gramm wiegt.
„Es ist schwierig, kommerzielle Elektronik in diese ultradünnen Strukturen zu integrieren, und die Idee für diese Arbeit entstand bei einem Treffen vor zwei Jahren“, sagte Xin Ning, Professor für Luft- und Raumfahrt an der Grainger School of Engineering der University of Illinois.
Er stellte sein einzigartiges Fachwissen in der Herstellung multifunktionaler Raumstrukturen vor, die leichte, flexible Elektronik integrieren.
„Es erregte die Aufmerksamkeit von Juan Fernandez vom Langley Research Center der NASA. Er baute eine Auslegerstruktur für ein CubeSat-Projekt an der Virginia Tech und sah eine Gelegenheit zur Zusammenarbeit und fügte der Struktur ein multifunktionales Gerät statt nur einer reinen Struktur hinzu“, sagte Ning.
Letztendlich wurde der Ausleger, in dem die Elektronik untergebracht war, im Langley Research Center der NASA hergestellt. Es handelt sich um einen dreischichtigen Verbundstoff aus Kohlefaser und Epoxidharz, der sehr dünn ist, etwa so dick wie ein Blatt Papier. Es lässt sich wie ein Maßband aufrollen und speichert in der Spule Energie, bis es sich im Weltraum entrollt.
„Virginia Tech stellt besondere Anforderungen an uns, von denen einige uns vor Herausforderungen stellen“, sagte Ning. „Eine davon war die Länge. Sie wollten Strom- und Datenleitungen mit einer Länge von mehr als einem Meter in ein hauchdünnes Verbundmaterial einbetten. Wir haben verschiedene Materialien und Techniken ausprobiert. Letztendlich haben wir handelsübliche dünne Drähte verwendet, die mit einer Isolierung ummantelt waren, und es hat funktioniert. Ich glaube, wir haben am Anfang zu viel darüber nachgedacht. Wir hatten härtere und kompliziertere Methoden ausprobiert, aber sie alle scheiterten. Das war eine einfache und zuverlässige Lösung, bei der handelsübliche, leicht verfügbare Drähte verwendet wurden.“
Eine weitere Schlüsselkomponente ist ein leichtes, flexibles elektronisches Pflaster mit einem Bewegungssensor, einem Temperatursensor und einer blauen Leuchtdiode, die alle oben am Ausleger montiert sind. Ning erklärt, dass die elektronischen Komponenten den rauen thermischen Vakuumbedingungen im Weltraum standhalten und gleichzeitig flexibel genug bleiben müssen, um dem plötzlichen Einsatz eines Spiralauslegers standzuhalten. Bewegungssensoren überwachen das Ausfahren und die Vibrationen des Auslegers, und blaue Leuchtdioden helfen den CubeSat-Kameras, nach dem Ausfahren Strukturen im Weltraum zu erkennen.
Nings Team führte umfassende Bodenexperimente und Simulationen durch, um die mechanischen Eigenschaften des bistabilen Auslegers mit flexibler Elektronik sowie sein Entfaltungs- und Vibrationsverhalten zu untersuchen. Diese Grundlagenstudien können wertvolle Erkenntnisse für die Gestaltung künftiger multifunktionaler Raumstrukturen liefern. „Wir arbeiten auch daran, flexible Elektronik im Weltraum haltbarer zu machen, um sie zu schützen und ihnen einen längeren Betrieb in der Weltraumumgebung zu ermöglichen.“
Der dreiteilige CubeSat von Virginia Tech, ausgestattet mit einem Mehrzweckausleger, soll im Jahr 2025 auf den Markt kommen.
Zusammengestellt von /ScitechDaily