Запуск крупногабаритных спутниковых антенн — удовольствие дорогое и энергоёмкое. Большие жёсткие конструкции занимают массу места в ракете, а значит, увеличивают стоимость вывода на орбиту. Но что, если антенна могла бы лететь в космос плоской, словно лист бумаги, а уже там самостоятельно приобретать жёсткую изогнутую форму? Исследователи из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн предлагают сделать именно так — и их технология уже работает в лаборатории.
Новый подход к созданию космических конструкций
Команда под руководством аспиранта Ивана Ву и его научного руководителя Джеффа Бауэра разработала низкоэнергетический способ превращения плоских 2D-заготовок в прочные 3D-структуры. Метод сочетает возможности 3D-печати и фронтальной полимеризации — химической реакции, запускаемой нагревом.
Идея проста, но революционна: вместо громоздких деталей инженеры смогут отправлять в космос лёгкие плоские элементы, которые принимают нужную форму уже после активации.
Раньше считалось, что низкоэнергетические технологии не способны создавать достаточно жёсткие элементы для аэрокосмической отрасли. Но новая комбинация материалов и оборудования изменила правила игры. Как отмечает Ву, коллеги из Института Бекмана разработали эффективный состав смолы, а 3D-принтер способен печатать композиты аэрокосмического класса. «Прорыв произошёл тогда, когда мы объединили эти две вещи», — говорит исследователь.
Как работает технология самоформирования
Для печати использовали 3D-принтер с непрерывным карбоновым волокном. Он наносил на плоскую платформу тончайшие пучки волокон, каждый слой которых частично закреплялся ультрафиолетовым светом. Затем заготовку «замораживали» в жидкой смоле, а финальная активация происходила при нагреве — без массивных автоклавов и огромных печей.
Ключевой элемент — фронтальная полимеризация. Это самораспространяющаяся реакция, которая превращает плоский лист в объёмную форму. Небольшой тепловой импульс инициирует процесс, словно поджиг спичкой большой лист бумаги: энергии нужно одинаково мало, независимо от размеров изделия. Именно такая масштабируемость делает технологию привлекательной для создания крупных спутниковых антенн.
Но прежде чем заготовка «вырастет» в объём, нужно правильно рассчитать исходный плоский рисунок. Исследователи решали так называемую “обратную задачу”: имея готовый 3D-дизайн, определить, как должен выглядеть 2D-шаблон, чтобы после активации получилась идеальная форма.
Команда создала пять демонстрационных конфигураций — спиральный цилиндр, скрученную ленту, конус, седловидную поверхность и параболическую «тарелку» — последний вариант оказался наиболее полезным для спутниковых задач.
Вдохновение в киригами
Интересно, что Ву нашёл творческое вдохновение в киригами — японской технике, напоминающей оригами, но включающей ещё и надрезы. Исследователь говорит, что работает он «как художник»: приходит идея — и он начинает экспериментировать. Параболическая антенна, например, начиналась как плоский лист с лепестковидными вырезами, которые при активации плавно сходились к центру, образуя ровную отражающую поверхность.
Самоформирующиеся конструкции уже обладают высокой жёсткостью и требуют меньше энергии, чем аналогичные разработки прошлого поколения. Однако для работы в космосе им всё ещё нужно дополнительное усиление. Команда предлагает использовать такие 3D-формы как готовые формы-молды для создания сверхжёстких конструкций прямо на орбите.
Потенциальные применения технологии выходят далеко за пределы космоса. Самоформирующиеся конструкции могут пригодиться для создания инфраструктуры в труднодоступных регионах Земли, куда сложно доставлять массивные элементы.
Исследование, выполненное при поддержке Лаборатории ВВС США, открывает путь к новым аэрокосмическим системам, способным формироваться самостоятельно, и к более эффективному производству в космосе. Работа опубликована в журнале Additive Manufacturing.
