Forscher der University of Illinois Urbana-Champaign haben, inspiriert von der Origami-Kunst, ein neues Design für faltbare Wellenleiter entwickelt, das für Satelliten genutzt werden könnte. Diese bleiben beim Start kompakt und entfalten sich im Weltraum zu ihrer vollständigen Arbeitsgröße. Die Studie wurde von Professor Sining Xin und seinem Team von Doktoranden am Department of Aerospace Engineering der Grainger College of Engineering durchgeführt.
Hochleistungswellenleiter, die traditionell in Satelliten verwendet werden, bestehen oft aus Metallrohren. Ihr Gewicht und ihre starre Struktur sind möglicherweise nicht für Weltraummissionen geeignet, die besonders gewichts- und platzempfindlich sind. Um dieses Problem zu lösen, ließ sich das Forschungsteam von Origami-Techniken inspirieren und entwarf verschiedene Konzepte für flexible und leichte Wellenleiterstrukturen. Diese entfaltbaren Wellenleiter können während der Startphase gefaltet gelagert und im Weltraum zu ihrer vollen Form entfaltet werden.
„Mein ehemaliger Kollege Sven Bieren an der Penn State University ist Experte für Elektromagnetismus. Vor einigen Jahren zeigte ich ihm einige Origami-Strukturen, an denen ich forschte. Er war interessiert und fragte mich, ob Origami-Techniken für entfaltbare elektromagnetische Wellenleiter genutzt werden könnten. Von da an begannen wir, diese Idee zu erforschen“, sagte Professor Xin. Da gängige Wellenleiter einen rechteckigen Querschnitt haben, bestand das Designziel des Teams darin, diese Form auch im entfalteten Zustand beizubehalten, um eine vergleichbare Leistung zu erzielen.
Das Forschungsteam verglich die einfachste faltbare Rechteckstruktur mit einer Papiertragetasche. Ausgehend davon entwarfen die Doktoranden Nikhil Ashok und Xiang Yusuo eine aus zwei Teilen bestehende Struktur, die einen faltbaren Rohrkörper und rechteckige Anschlussöffnungen bildet. Darauf aufbauend entwickelten sie komplexere, faltenbalgähnliche Origami-Wellenleiter. Professor Xin wies darauf hin, dass der Faltprozess Geschick erfordere, die Studenten die Methode aber schließlich beherrschten.
Bei der Prototypenerstellung druckte das Team die Entwurfsmuster auf großformatiges Papier, überzog es mit Küchenalufolie und faltete es in Form. Professor Xin sagte, für den Einsatz in echten Raumfahrzeugen könnten solche Strukturen aus haltbaren, 3D-gedruckten Materialien gefertigt und mit Hochleistungsmaterialien wie Polyimidfolie beschichtet werden.
Das Team entwarf nicht willkürlich, sondern modellierte und verglich nach kommerziellen Standards. Nachdem sie Designs erforscht hatten, die komplexere Funktionen wie eine 90-Grad-Drehung ermöglichen, überwanden sie durch mechanische Analysen technische Herausforderungen wie das Verklemmen oder Brechen der Modelle während des Entfaltens. Professor Xin erklärte: „Wir stellten fest, dass die Kräfte, die entstehen, wenn man sie bis zur vollständigen Glättung der Falten dehnt, sie zerreißen könnten.“ Das Team berechnete die optimale Anzahl an Faltzellen, die für eine bestimmte Übertragungsdistanz innerhalb eines akzeptablen Energieverlustbereichs benötigt wird.
Diese Technologie, die ursprünglich für Raumfahrtanwendungen entwickelt wurde, könnte ihr Konzept auch auf die Übertragung von Mikrowellenenergie in terrestrischen Strom- und Kommunikationssystemen ausdehnen. Das Forschungsteam hat für dieses entfaltbare Wellenleiterdesign bereits ein Patent angemeldet.
Weitere Informationen: Autoren: Nikhil Ashok et al., Titel: „Shape-deforming origami electromagnetic waveguides“, veröffentlicht in: Communications Engineering (2025). Zeitschrifteninformation: Communications Engineering
