Satelita musi przetrwać ogromne przeciążenia i drgania podczas startu rakiety, a następnie rozłożyć panele słoneczne już na orbicie. Cała operacja musi przebiec bezproblemowo, bo awaria mechanizmu rozkładania może pozbawić urządzenie podstawowego źródła energii. Jednocześnie każdy dodatkowy gram ma znaczenie, więc inżynierowie od dawna szukają sposobów na ograniczenie masy takich konstrukcji. Niemiecki Instytut Fraunhofera ds. Badań nad Polimerami Stosowanymi (IAP) postanowił rozwiązać część tego problemu z wykorzystaniem polimerów z pamięcią kształtu, a efekt prac w ramach projektu AM-SPACE jest naprawdę interesujący.
Zawias ważący 1,4 grama. Jak Niemcy chcą pozbyć się tradycyjnych mechanizmów?
Najważniejszym osiągnięciem niemieckich badaczy jest zawias wydrukowany w 3D, który waży zaledwie 1,4 grama, czyli według Fraunhofera aż o 93 procent mniej niż porównywany z nim konwencjonalny odpowiednik. Nie jest to jednak zwyczajny plastikowy element, bo jego konstrukcja bazuje na polimerze z pamięcią kształtu (SMP), który może powrócić do wcześniej zaprogramowanej geometrii po podgrzaniu. W efekcie materiał sam wykonuje ruch potrzebny do rozłożenia panelu słonecznego, a więc przejmuje funkcję, za którą normalnie odpowiada bardziej rozbudowany mechanizm.
Czytaj też: Satelita zobaczy cel i ruszy za nim. Wojsko USA szykuje pościgi na orbicie
Podczas laboratoryjnego eksperymentu naukowcy podgrzali zawias z 23 do 140 stopni Celsjusza, co pozwoliło rozłożyć go w około 60 sekund. W ramach tego samego projektu stworzyli również mechanizmy HDRM, które odpowiadają za utrzymywanie paneli w bezpiecznej pozycji podczas startu oraz ich późniejsze zwolnienie. Wytworzenie pojedynczego zawiasu lub HDRM zajmuje około 15 minut druku i kolejnych 30 minut programowania tymczasowego kształtu. Badacze wykorzystali też druk 4D, który pozwolił im skrócić produkcję mechanizmów HDRM do zaledwie pięciu minut, bo ich zachowanie zaprogramowali już podczas drukowania.
Pisałem już wprawdzie wielokrotnie o druku 4D i materiałach, które same przejmują funkcje mechanizmów, ale w przypadku satelitów ta technologia nabiera szczególnego znaczenia. Dlatego zresztą najciekawsze jest dla mnie nie samo odchudzenie zawiasu, ale potencjalne ograniczenie liczby części, które trzeba osobno wyprodukować, zmontować i zabezpieczyć. W końcu im mniej elementów mechanicznych, tym mniej potencjalnych miejsc awarii, choć samo uproszczenie konstrukcji nie gwarantuje jeszcze większej niezawodności.
Dlaczego polimer, skoro metale też potrafią zapamiętywać kształt?
Warto przy tym pamiętać, że materiały reagujące na temperaturę wcale nie są nowością. Opisywałem już przecież niezwykłe struktury z nitinolu, czyli stopu niklu i tytanu, który również wykazuje efekt pamięci kształtu. Takie materiały mogą generować znaczne siły podczas przemiany, a NASA bada ich wykorzystanie między innymi w systemach rozkładania dużych paneli słonecznych.
Dlaczego więc niemieccy badacze zainteresowali się polimerami? Przede wszystkim ze względu na ich niską gęstość, możliwość uzyskiwania dużych odkształceń i swobodę projektowania geometrii. Polimery mają jednak również swoje ograniczenia, a w tym zwykle mniejszą wytrzymałość i sztywność od stopów metali. Nie możemy więc zakładać, że zawias ważący 1,4 grama zastąpi dowolny metalowy odpowiednik. Fraunhofer nie przedstawił zresztą szczegółowej charakterystyki porównawczej obciążeń, więc imponująca redukcja masy nie dowodzi jeszcze identycznych możliwości mechanicznych.
Czytaj też: Nowy miniksiężyc Ziemi. Planetoida 2026 QQ8 tymczasowym satelitą naszej planety
Do tego dochodzi kwestia temperatury. Podgrzanie elementu do 140 stopni Celsjusza wymaga energii, odpowiedniej elektroniki i kontroli nad procesem, co jest o tyle ważne, że w próżni ciepło nie rozprasza się przez konwekcję. Trudno więc ocenić rzeczywistą oszczędność masy całego systemu bez uwzględnienia grzałek, przewodów, elektroniki i ewentualnych zabezpieczeń termicznych. Tym bardziej że satelita musi dysponować energią potrzebną do rozłożenia paneli jeszcze przed rozpoczęciem ich normalnej pracy.
Czy drukowane zawiasy rzeczywiście polecą w kosmos?
Projekt AM-SPACE, realizowany od października 2023 do września 2026 roku przy wsparciu między innymi środków unijnych, objął również drukowanie podłoży paneli słonecznych z kompozytów PEEK wzmacnianych włóknem węglowym oraz wykonywanie na nich ścieżek przewodzących. Oznacza to, że inżynierowie pracowali nad szerszym sposobem produkcji komponentów niewielkich satelitów CubeSat, a nie wyłącznie nad jednym zawiasem.
Fraunhofer ma już za sobą pierwsze testy w pomieszczeniach czystych, cykle temperaturowe oraz wstępne eksperymenty w komorze próżniowej. Jeden z opracowanych polimerów przeszedł także badania odgazowywania w hiszpańskim instytucie INTA, co ma znaczenie dla ochrony delikatnych podzespołów przed zanieczyszczeniami. Nadal brakuje jednak testów samych zawiasów na orbicie, gdzie dochodzi problem promieniowania, długotrwałego starzenia materiału i zmieniających się warunków termicznych. Sama koncepcja wykorzystywania polimerów z pamięcią kształtu w kosmosie nie jest jednocześnie zupełnie nowa, bo naukowcy opisali już w 2019 roku udaną orbitalną demonstrację rozkładanego podłoża panelu słonecznego wykonanego z takiego kompozytu.
Czytaj też: Nie satelita i nie samolot. Słońce utrzyma tę maszynę tam, gdzie nie sięga się dziś powszechnie
German Orbital Systems rozważa obecnie sprawdzenie niemieckich komponentów w rzeczywistych warunkach kosmicznych. Uważam, że dopiero taki eksperyment pokaże, ile rzeczywiście warte są deklarowane oszczędności masy i prostsza konstrukcja. W końcu zawias nie musi imponować przez całe życie satelity. Musi przede wszystkim niezawodnie wykonać jeden konkretny ruch w odpowiednim momencie, a później utrzymać panel w wymaganej pozycji. Jeśli drukowane polimery poradzą sobie z tym zadaniem, to nawet tak niepozorny element może stać się ważną częścią przyszłości małych satelitów.
Źródła: Fraunhofer IAP, NASA TechPort, Smart Materials and Structures
