Die Größe von Objekten, die ins All gebracht werden können, ist durch die Abmessungen der Raketennutzlastverkleidung begrenzt. Dies stellt eine Herausforderung für die Konstruktion großer Strukturen wie Kommunikationsarrays oder Energiesatelliten dar. Forscher der Nanjing University of Aeronautics and Astronautics und des Beijing Institute of Technology haben nun eine Lösung vorgestellt: ein selbstformendes, entfaltbares Modul, das sowohl seine Position als auch seine Abmessungen präzise anpassen kann. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Space: Science & Technology veröffentlicht.
Herausforderungen bei der Entfaltung von Strukturen im All
Bisher verwenden Ingenieure häufig ausrollbare Ausleger aus Kohlefaser, die sich in der Schwerelosigkeit entfalten. Diese Systeme haben jedoch den Nachteil, dass sie selten perfekt entfalten. Schon geringe Abweichungen von wenigen Millimetern können dazu führen, dass die gesamte Mission scheitert. Um dieses Problem zu lösen, entwickelten die Forscher ein System aus drei hexagonalen Eckmodulen, die durch Kohlefaserstäbe verbunden sind. Jedes Eckmodul verfügt über eine Spule und Kaltgas-Triebwerke, die eine Echtzeit-Anpassung der Struktur ermöglichen.
Ein Schrittmotor steuert die Spule, wodurch die Kohlefaserstäbe verkürzt oder verlängert werden können. Dies ermöglicht nicht nur die Anpassung der Modulgröße, sondern auch präzise Korrekturen durch ein Regelkreissystem. Die Triebwerke dienen dazu, das Modul in die gewünschte Position zu manövrieren. Sobald die Module nahe genug beieinander sind, übernehmen eingebaute Permanentmagnete die letzte Feinjustierung.
Praktische Tests und mathematische Modelle
Um die Funktionsfähigkeit des Systems zu überprüfen, entwickelten die Forscher ein mathematisches Modell, das starre Ecken mit biegsamen Kohlefaserarmen kombiniert. Dieses Modell berücksichtigt auch die sich ändernden Massen durch den Treibstoffverbrauch. Für praktische Tests nutzten die Wissenschaftler eine Granitplatte mit Luftlagern, die einem Airhockey-Tisch ähnelt. Eine Kameraüberwachung verfolgte die Position der Module in Echtzeit und speiste die Daten in den Steueralgorithmus ein.
Ohne diese Echtzeit-Anpassung führten Fertigungsfehler und Verformungen der Kohlefaser dazu, dass die Magnete nicht korrekt verriegelten. Mit aktivierter „aktiver Formkontrolle“ konnten die Fehler jedoch um über 98 % reduziert werden, was eine erfolgreiche Verbindung der Module ermöglichte. Diese Forschung ist ein erster Schritt hin zur autonomen Montage großer Strukturen im Orbit, die für zukünftige Infrastrukturprojekte im Weltraum entscheidend sein könnten.
- Quelle: Phys.org