Lichtgewicht ruimtestructuren zoals cubesats, inzetbare zonnepanelen, antenne-arrays en ruimtetelescopen vertrouwen op compacte, efficiënte ontwerpen om de lanceringskosten te minimaliseren en de functionaliteit te maximaliseren. Nieuw onderzoek van de Universiteit van Illinois levert aanzienlijke vooruitgang op voor deze toepassingen door flexibele elektronica te integreren in zelf-inzetbare gieken.
Onderzoekers hebben een zelf-inzetbare boom van 20 gram gemaakt met geïntegreerde flexibele elektronica voor gebruik in CubeSats. De giek is gemaakt van dun koolstofvezelcomposiet en is uitgerust met sensoren en LED's om zware ruimteomstandigheden te weerstaan en te helpen bij het monitoren en visualiseren van de inzet.
Lichtgewicht ontwerp is van cruciaal belang voor ruimtestructuren, vooral voor gereedschappen voor compacte, lichtgewicht satellieten. Veelzijdigheid is een bijkomend voordeel. Om op een nieuwe manier aan deze eisen te voldoen, hebben onderzoekers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign met succes flexibele elektronica gecombineerd met een uit drie lagen bestaande zelf-inzetbare boom die slechts 20 gram weegt.
"Het is moeilijk om commerciële elektronica in deze ultradunne structuren te integreren, en het idee voor dit werk ontstond twee jaar geleden tijdens een bijeenkomst", zegt Xin Ning, hoogleraar lucht- en ruimtevaart aan de Grainger School of Engineering van de Universiteit van Illinois.
Hij introduceerde zijn unieke expertise in het vervaardigen van multifunctionele ruimtelijke structuren die lichtgewicht, flexibele elektronica integreren.
"Het trok de aandacht van Juan Fernandez van NASA's Langley Research Center. Hij was een boomstructuur aan het bouwen voor een CubeSat-project bij Virginia Tech en zag een kans om samen te werken en een multifunctioneel apparaat aan de structuur toe te voegen in plaats van alleen maar een pure structuur, " zei Ning.
Uiteindelijk werd de boom waarin de elektronica was ondergebracht, vervaardigd in het NASA Langley Research Center. Het is een drielaags composiet van koolstofvezel en epoxyhars, ontworpen om heel dun te zijn, ongeveer zo dik als een vel papier. Het kan worden opgerold als een meetlint, waarbij energie in de spoel wordt opgeslagen totdat deze zich in de ruimte afrolt.
"Virginia Tech stelt specifieke eisen aan ons, waarvan sommige uitdagingen voor ons met zich meebrengen", aldus Ning. "De ene was lengte. Ze wilden stroom- en datalijnen van meer dan een meter lang inbedden in een flinterdun composietmateriaal. We probeerden verschillende materialen en technieken. Uiteindelijk gebruikten we in de handel verkrijgbare dunne draden bedekt met isolatie, en het werkte. Ik denk dat we er in het begin te lang over hebben nagedacht. We hadden hardere en ingewikkeldere methoden geprobeerd, maar ze faalden allemaal. Dit was een eenvoudige en betrouwbare oplossing, waarbij gebruik werd gemaakt van kant-en-klare, gemakkelijk verkrijgbare draden."
Een ander belangrijk onderdeel is een lichtgewicht, flexibele elektronische patch met een bewegingssensor, een temperatuursensor en een blauwe lichtgevende diode, allemaal gemonteerd op de bovenkant van de giek. Ning legt uit dat de elektronische componenten bestand moeten zijn tegen de barre thermische vacuümomstandigheden in de ruimte en tegelijkertijd flexibel genoeg moeten blijven om de plotselinge inzet van een opgerolde giek te weerstaan. Bewegingssensoren monitoren de ontplooiing en trillingen van de giek, en blauwe lichtgevende diodes helpen CubeSat-camera's om structuren in de ruimte te zien na ontplooiing.
Het team van Ning voerde uitgebreide grondexperimenten en simulaties uit om de mechanische eigenschappen van de bistabiele giek met flexibele elektronica te onderzoeken, evenals de ontplooiing en het trillingsgedrag ervan. Deze basisstudies kunnen waardevolle inzichten opleveren in het ontwerp van toekomstige multifunctionele ruimtelijke structuren. "We werken er ook aan om flexibele elektronica duurzamer te maken in de ruimte om ze te beschermen en ervoor te zorgen dat ze langer in de ruimte kunnen functioneren."
De uit drie eenheden bestaande CubeSat van Virginia Tech, uitgerust met een multifunctionele giek, zal naar verwachting in 2025 worden gelanceerd.
Samengesteld uit /ScitechDaily