3D-gedruckte, adaptive Antenne aus Nitinol eröffnet neue Möglichkeiten für Militär und Weltraumforschung

Antennen sind essentiell für unsere drahtlose Kommunikation, Navigation, Radar sowie Funkkommunikation und die Wissenschaft. Ihre Hauptfunktion besteht darin, elektromagnetische Wellen zu empfangen oder zu senden, aber bisher sind diese jedoch starr und wenig flexibel, was sich nun aber dank eines Projekts von Forschenden am Johns Hopkins Applied Physics Laboratory (APL) ändern könnte. Das Projekt begann 2019, und Ziel war es, 3D-Technologien und Formgedächtnislegierungen für Antennen zu entwickeln, die sich je nach Temperaturwechsel eigenständig verformen können und zukünftig im Militär und der Weltraumforschung verwendet werden sollen.

Die innovative, 3D-gedruckte Antenne soll sich dynamisch anpassen und so eine größere Bandbreite an Funkfrequenzen unterstützen und durch erhöhte Flexibilität traditionelle Antennen ersetzen. Die Idee des Projekts stammt von Jennifer Hollenbeck, welche von der Science-Fiction-Serie „The Expanse“ inspiriert war. In dieser nutzen Außerirdische eine organische Technologie, um ihre Form zu verändern. Sie erklärt: „Ich habe in meiner beruflichen Laufbahn mit Antennen gearbeitet und mit den Beschränkungen zu kämpfen, die sich aus ihrer festen Form ergeben. Ich wusste, dass APL über das Fachwissen verfügt, um etwas anderes zu schaffen.“ 3D-gedruckt wurde die Antenne dann aus einer Nickel-Titan-Legierung, auch bekannt als Nitinol, eine der bekanntesten Formgedächtnislegierungen. Dies bedeutet, dass die Legierung nach einer Verformung ihre ursprüngliche Form wiederherstellen kann, wenn diese auf eine bestimmte Temperatur erhitzt wird, was ideal für Anwendungen ist, bei denen Materialien sich an verändernde Bedingungen anpassen müssen. Dennoch kam es  bei dem 3D-Druck zu einigen Schwierigkeiten, wie beispielsweise das Drucken der Legierung in komplexe Strukturen, da diese sich während der Herstellung verformte und auf die Hitze reagierte. Hollenbeck betont: „Es stellte sich heraus, dass es ein wirklich kompliziertes Design war, und es funktionierte nicht so gut, wie ich es mir gewünscht hätte“.

(Bild: Johns Hopkins Applied Physics Laboratory)

Gelöst wurde das Problem mittels mehrerer Experimente sowie Optimierungen und es entstand daraufhin die erste flache Spiralantenne, die bei Wärme eine konische Form einnimmt. Darüber hinaus wurde ein neuer Stromleiter verwendet, der die Antenne auf die erforderliche Temperatur bringt, ohne ihre Leistung zu beeinträchtigen. „Wir haben viel Erfahrung mit der Optimierung von Verarbeitungsparametern und Konstruktionen für Legierungen, aber das hier ging einen Schritt weiter“, erklärt Samuel Gonzalez, Ingenieur für additive Fertigung. „Es gibt nicht viele Leute, wenn überhaupt, die dieses Material drucken, also gibt es kein Rezept, wie man es verarbeiten kann. Wir haben ein paar Mal Schrapnelle im Drucker erzeugt, weil die Antenne beim Drucken aufgrund der Hitze versucht, ihre Form zu verändern. Sie will sich ablösen“, fügte Kollegin Mary Daffron hinzu. 

Zukünftig soll die flexible Antenne eine neue Möglichkeit für militärische Operationen bieten, da sie dynamische Kommunikation im Feld erlaubt. Auch im Bereich der Telekommunikation und Industrie könnte die Antenne aufgrund ihrer Anpassungsfähigkeit viele mobile Netzwerke abdecken, vor allem, weil das Umschalten zwischen Nah- und Fernkommunikation besser angepasst werden kann. Eine weitere Verwendungsmöglichkeit wäre in der Weltraumerkundung als adaptive Lösung für Missionen im All. Mehr über die 3D-gedruckte Antenne erfahren Sie HIER.

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