تعتمد الهياكل الفضائية خفيفة الوزن، مثل الأقمار الصناعية المكعبة والألواح الشمسية القابلة للنشر ومصفوفات الهوائيات والتلسكوبات الفضائية، على تصميمات مدمجة وفعالة لتقليل تكاليف الإطلاق وزيادة الوظائف إلى أقصى حد. يوفر البحث الجديد الذي أجرته جامعة إلينوي تقدمًا كبيرًا في هذه التطبيقات من خلال دمج الإلكترونيات المرنة في أذرع التطويل ذاتية النشر.
ابتكر الباحثون ذراعًا قابلة للنشر ذاتيًا بوزن 20 جرامًا مع إلكترونيات مرنة مدمجة لاستخدامها في CubeSats. يتكون ذراع الرافعة من مركب من ألياف الكربون الرقيقة وهو مزود بأجهزة استشعار ومصابيح LED لتحمل ظروف الفضاء القاسية والمساعدة في مراقبة النشر والتصور.
يعد التصميم خفيف الوزن أمرًا بالغ الأهمية للهياكل الفضائية، وخاصة أدوات الأقمار الصناعية المدمجة وخفيفة الوزن. يعد تعدد الاستخدامات ميزة إضافية. ولتلبية هذه المتطلبات بطريقة جديدة، نجح الباحثون في جامعة إلينوي في أوربانا شامبين في الجمع بين الإلكترونيات المرنة وذراع الرافعة ذاتية النشر المكون من ثلاث طبقات والذي يزن 20 جرامًا فقط.
وقال شين نينغ، أستاذ الفضاء الجوي والفضاء في كلية الهندسة بجامعة إلينوي غرينجر: "من الصعب دمج الإلكترونيات التجارية في هذه الهياكل الرقيقة للغاية، وقد بدأت فكرة هذا العمل في اجتماع قبل عامين".
وقد قدم خبرته الفريدة في تصنيع الهياكل المكانية متعددة الوظائف التي تدمج الإلكترونيات المرنة وخفيفة الوزن.
قال نينغ: "لقد لفت هذا انتباه خوان فرنانديز من مركز لانغلي للأبحاث التابع لناسا. لقد كان يبني هيكلًا مزدهرًا لمشروع CubeSat في جامعة فرجينيا للتكنولوجيا ورأى فرصة للتعاون وإضافة جهاز متعدد الوظائف إلى الهيكل بدلاً من مجرد هيكل خالص".
في نهاية المطاف، تم تصنيع الذراع المستخدمة لإيواء الإلكترونيات في مركز أبحاث لانغلي التابع لناسا. إنها عبارة عن مركب مكون من ثلاث طبقات من ألياف الكربون وراتنج الإيبوكسي مصمم ليكون رقيقًا جدًا، بسُمك ورقة. ويمكن لفه مثل شريط قياس، وتخزين الطاقة في الملف حتى يفرد نفسه في الفضاء.
وقال نينغ: "لدى شركة Virginia Tech مطالب محددة علينا، وبعضها يشكل تحديات بالنسبة لنا". "أحدها كان الطول. لقد أرادوا دمج خطوط الطاقة والبيانات التي يزيد طولها عن متر في مادة مركبة بسمك الورقة. لقد جربنا مواد وتقنيات مختلفة. في النهاية، استخدمنا أسلاكًا رفيعة متاحة تجاريًا ومغطاة بالعزل، وقد نجحت. أعتقد أننا بالغنا في التفكير في الأمر في البداية. لقد جربنا طرقًا أكثر صعوبة وتعقيدًا، لكنها فشلت جميعًا. كان هذا حلاً بسيطًا وموثوقًا، باستخدام أسلاك جاهزة ومتوفرة بسهولة."
مكون رئيسي آخر هو رقعة إلكترونية مرنة وخفيفة الوزن مع مستشعر للحركة، ومستشعر لدرجة الحرارة وصمام ثنائي باعث للضوء الأزرق، جميعها مثبتة في الجزء العلوي من ذراع الرافعة. يوضح نينج أن المكونات الإلكترونية يجب أن تكون قادرة على تحمل ظروف الفراغ الحراري القاسية في الفضاء مع الحفاظ على المرونة الكافية لتحمل النشر المفاجئ لذراع الرافعة الملفوف. تراقب أجهزة استشعار الحركة انتشار ذراع الرافعة واهتزازاتها، وتساعد الثنائيات الباعثة للضوء الأزرق كاميرات CubeSat على رؤية الهياكل في الفضاء بعد النشر.
أجرى فريق نينغ تجارب وعمليات محاكاة أرضية شاملة لاستكشاف الخواص الميكانيكية لذراع الرافعة ثنائي الاستقرار باستخدام الإلكترونيات المرنة، بالإضافة إلى سلوك انتشاره واهتزازه. يمكن أن توفر هذه الدراسات الأساسية رؤى قيمة حول تصميم الهياكل المكانية متعددة الوظائف في المستقبل. "نحن نعمل أيضًا على جعل الإلكترونيات المرنة أكثر متانة في الفضاء لحمايتها والسماح لها بالعمل لفترة أطول في بيئة الفضاء."
من المقرر إطلاق CubeSat المكون من ثلاث وحدات من جامعة Virginia Tech، والمجهز بذراع متعدد الأغراض، في عام 2025.
تم تجميعها من /ScitechDaily