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Satelliten-Antennen: Wie die additive Fertigung in den Weltraum kommt

Verantwortlicher Redakteur:in: Andreas Müller 3 min Lesedauer

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Eine neue Technologie von Mitsubishi Electric ermöglicht die additive Fertigung im Weltraum, unter anderem von Satelliten-Antennen.

(Quelle: Mitsubishi Electric)
(Quelle: Mitsubishi Electric)

  • Die Mitsubishi Electric Corporation hat eine Technologie für die additive Fertigung im Weltraum entwickelt.

  • Sie nutzt lichtempfindliches Harz und ultraviolettes Sonnenlicht für den 3D-Druck von Satelliten-Antennen im Vakuum.

  • Dabei kommt ein neu entwickeltes Flüssigharz zum Einsatz, das speziell für die Stabilität im Vakuum formuliert wurde.

  • Das Harz ermöglicht die Herstellung von Strukturen im Weltraum mit einem energiesparenden Verfahren, das die ultravioletten Strahlen der Sonne zur Photopolymerisation nutzt.

Die neue Technologie von Mitsubishi Electric ermöglicht die additive Fertigung von Satelliten-Antennen im Weltraum. Sie soll speziell der Aufgabe dienen, kleine, kostengünstige Raumfahrzeuge mit großen Strukturen auszustatten, wie zum Beispiel Antennenreflektoren mit hoher Verstärkung. Denn sie ermöglicht die Herstellung von Strukturen in der Umlaufbahn, welche die Abmessungen von Verkleidungen für Trägerraketen bei weitem übersteigen. Man erwartet, dass die harzbasierte On-Orbit-Fertigung Raumfahrzeuge dünner und leichter macht als herkömmliche Konstruktionen. Gleichwohl sollen sie den Belastungen beim Start und beim Einschwenken in die Umlaufbahn standhalten. Somit würden sich sowohl das Gesamtgewicht des Satelliten als auch die Startkosten verringern.

Satelliten-Antennen: Mit additiver Fertigung widersprüchliche Anforderungen meistern

Die Konstruktion von Satelliten-Antennen ist aufgrund der widersprüchlichen Anforderungen an hohe Verstärkung, große Bandbreite und geringes Gewicht eine Herausforderung. Eine hohe Signalverstärkung und eine große Bandbreite erfordern zwangsläufig eine große Apertur. Ein wirtschaftlicher Einsatz im Weltraum erfordert jedoch, dass die Antennen leicht und klein genug sind, um in eine Trägerrakete oder einen Satellitenausbringungsmechanismus zu passen oder um sich falten zu lassen.

Der neuartige Ansatz von Mitsubishi Electric mit der harzbasierten On-Orbit-Fertigung ermöglicht die effiziente Realisierung von Antennen mit hoher Verstärkung, großer Bandbreite und großer Apertur, die von einem leichten, vibrationsresistenten Startpaket aus eingesetzt werden. Durch die Entwicklung eines 3D-Druckers, der ein speziell für das Vakuum formuliertes, ultraviolett aushärtendes Harz extrudiert, könnte nun eine harzbasierte Freiform-Fertigung im Weltraum mit geringem Stromverbrauch möglich sein. Dabei sollen sich zusätzlichen Stützstrukturen erübrigen.

3D-Drucker für die Freiformherstellung von Satelliten-Antennen im Vakuum

  • Der 3D-Drucker nutzt die Antennenstreben und die Motoren zur Winkelverstellung.

  • Die Größe der Antenne ist nicht durch die Größe der Verkleidung der Trägerrakete oder die Größe des Satellitenbusses begrenzt.

  • Durch die Herstellung in der Umlaufbahn entfällt die Notwendigkeit einer Antennenstruktur, die Vibrationen und Erschütterungen während des Starts standhält, wie sie für herkömmliche Antennenreflektoren erforderlich ist. Somit lassen sich das Gewicht und die Dicke der Antennenreflektoren reduzieren. Das trägt zur Verringerung des Satellitengewichts und der Startkosten bei.

  • Unter der Annahme der Verwendung eines 3U-CubeSat (100 x 100 x 300 mm) wurde ein Antennenreflektor mit einem Durchmesser von 165 mm, der größer ist als die Größe des CubeSat-Busses, in Luft hergestellt, und es wurde eine Verstärkung von 23,5 dB im Ku-Band (13,5 GHz) bestätigt.

(Diagramm (links) und Foto (rechts) des 3D-Druckers. Bildquelle: Mitsubishi Electric)
(Diagramm (links) und Foto (rechts) des 3D-Druckers. Bildquelle: Mitsubishi Electric)

Lichtempfindliches, für das Vakuum geeignetes Harz

  • Handelsübliche lichtempfindliche Harze haben ein niedriges Molekulargewicht, einen hohen Dampfdruck und sind nicht für Vakuumanwendungen geeignet, da sie dort kochen und vorzeitig polymerisieren. Das neu entwickelte ultraviolett-härtende Harz verwendet eine Oligomerbasis mit hohem Molekulargewicht und niedrigem Dampfdruck. Sie wird mit einem vakuumstabilen Weichmacher auf der Basis eines nichtflüchtigen Polyphenylethers gemischt. So erreicht sie eine für die Extrusion im Vakuum geeignete Viskosität.

  • Da die meisten Polymerisationsinhibitoren Luftsauerstoff als Cofaktor benötigen, um eine vorzeitige Polymerisation zu verhindern, und im Vakuum nicht funktionieren, verwendet man in der neuen Harzformulierung andersartige Inhibitoren. Diese sind nicht vom Vorhandensein von Sauerstoff abhängig und weisen außerdem eine Flüchtigkeit von nahezu Null auf.

  • Wenn das Harz ultraviolettem Licht ausgesetzt wird, polymerisiert es durch Vernetzung zu einem Feststoff, der bis zu einer Temperatur von mindestens 400 °C hitzebeständig ist.

  • Die Verwendung von Sonnenlicht für die Polymerisation und Aushärtung macht eine separate UV-Lichtquelle überflüssig und ermöglicht somit eine Herstellung mit geringem Stromverbrauch.

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(3D-Druck mit einer ultravioletten Lichtquelle in einem Vakuum unter 0,2 kPa(vergrößerter Bereich um die Düse und den Motor). Bildquelle: Mitsubishi Electric)
(3D-Druck mit einer ultravioletten Lichtquelle in einem Vakuum unter 0,2 kPa(vergrößerter Bereich um die Düse und den Motor). Bildquelle: Mitsubishi Electric)

Zukünftige Entwicklungen

Die harzbasierte On-Orbit-Fertigung von Mitsubishi Electric ermöglicht es, dass Kleinsatelliten die Fähigkeiten von Großsatelliten erreichen. Dadurch lassen sich die Startkosten senken. Zudem lässt sich die Satellitentechnologie mehr denn je in Anwendungen wie Kommunikation und Erdbeobachtung einsetzen. Die Entwickler rechnen damit, dass diese erweiterten Fähigkeiten die zeitnahe Bereitstellung von Satellitenbildern und Beobachtungsdaten ermöglichen. Auch in Zukunft will Mitsubishi Electric Technologien und Lösungen entwickeln, die zur Lösung globaler Probleme beitragen.

Referenz
3D-Drucktechnologie für den Freiformdruck von Satellitenantennen im Weltraum
Englisch: https://youtu.be/ebZqaOBZApE
Japanisch: https://youtu.be/kebh_KRXMzc

Weitere Informationen: https://www.mitsubishielectric.com/

Erfahren Sie hier mehr darüber, wie die additive Fertigung den Weltraum erobert.

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