Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) erforscht seit Jahren, wie Strukturen im Weltraum leichter, autonomer und widerstandsfähiger sein können, doch die neuesten Ergebnisse des Projekts zum passiven Solartracker sind einen Schritt weiter gegangen, als die ursprünglichen Erwartungen vermuten ließen. Anstelle klassischer mechanischer Systeme mit Motoren, Getrieben und Sensoren haben Forscher eine neue Generation von Verbund-Metastrukturen entwickelt, die ihre Form selbst ändern, wenn sich die Umgebungsbedingungen ändern, wobei sie auf den Prinzipien des 4D-Drucks und Inspirationen aus der Biologie basieren.

Es handelt sich um einen Ansatz, bei dem die Konstruktion nicht nur als statisches Objekt, sondern als Materialsystem mit „eingebautem“ Verhalten betrachtet wird. In diesem Konzept wird die Dimension der Zeit – die vierte Dimension im Vergleich zum klassischen 3D-Druck – genauso wichtig wie die Geometrie. Eine Struktur, die unter kalten, dunklen Bedingungen völlig flach ist, kann sich beispielsweise bei steigender Temperatur allmählich einer Wärme- und Strahlungsquelle zuneigen und dann wieder in die Ausgangsposition zurückkehren, wenn sich die Bedingungen ändern.

Leiter der Forschung ist ein Team der Université de Bretagne Sud (UBS) und der Forschungsgruppe Bionics Group in Zusammenarbeit mit der ESA und Industriepartnern. Ihre Arbeit an bioinspirierten 4D-gedruckten röhrenförmigen und helikalen Metakompositen, veröffentlicht in der angesehenen Fachzeitschrift Advanced Materials Technologies, hat gezeigt, dass solche Strukturen präzise programmiert werden können, um sich ohne zusätzliche Energiequelle zu bewegen, allein dank Temperaturänderungen und Sonneneinstrahlung.

Vom Konzept zum Patent: Wie die autonome adaptive Struktur entstand

Im Rahmen der ESA-Initiative zur Entdeckung und Erprobung radikal neuer Ideen entwickelten die Forscher zunächst ein theoretisches Modell und numerische Simulationen des Verhaltens von Verbundrohren mit einer speziell entworfenen Innenarchitektur. Sie analysierten, wie die Richtung, Dichte und Anordnung der Fasern in den Schichten das Verdrehen, Biegen oder die Torsion beeinflussen, wenn das Material erwärmt wird. Ein solcher Ansatz ermöglichte es, bereits in der Entwurfsphase vorherzusagen, wie stark sich die Konstruktion bei einer vorgegebenen Temperaturänderung bewegen wird.

Die Ergebnisse übertrafen die ursprünglichen Erwartungen: Es zeigte sich, dass die Energiedichte dieser Metakomposite – wenn sie auf ihre Steifigkeit normiert wird – mit den Fähigkeiten klassischer Formgedächtnislegierungen mithalten kann, jedoch bei einfacherer Konstruktion und ohne komplexe Aktuatorsysteme. Diese Kombination aus theoretischer Ausarbeitung und praktischen Experimenten war überzeugend genug, dass die ESA die Technologie durch ein Patent für autonome röhrenförmige adaptive Verbundstrukturen schützte, die primär für Weltraumanwendungen bestimmt sind.

Der Leiter der Aktivitäten bei der ESA, Ugo Lafont, betont, dass die erzielten Ergebnisse über die ursprünglichen Erwartungen hinausgingen und dass gerade die Verbindung von akademischer Forschung und Weltraumanwendung das Konzept reif genug für den Patentschutz gemacht hat.

Das Patent deckt eine neue Art des Zusammenfügens von 4D-gedruckten „Bausteinen“ zu modularen Baugruppen ab, die passiv rekonfiguriert werden können. Jeder Block ist für sich eine röhrenförmige Metastruktur, aber erst ihre räumliche Anordnung ermöglicht anspruchsvolle Verformungen der gesamten Baugruppe – zum Beispiel das gemeinsame Schwenken der Plattform, auf der ein Solarpanel montiert ist, ohne einen einzigen Motor oder ein Zahnrad.

Ein solcher Ansatz verändert das Paradigma des klassischen Ingenieurwesens: Anstatt der Struktur nachträglich Aktuatoren, Lager und Wellen hinzuzufügen, wird die Funktion in das Material selbst „eingeschrieben“. Die Konstruktion wird so sowohl tragend als auch aktiv, was besonders im Weltraum wichtig ist, wo jede zusätzliche Komponente eine Last für den Start und ein potenzieller Fehlerpunkt ist.

Rotoprinting: 4D-Druck, der das Verhalten in der Architektur selbst programmiert

Der entscheidende technologische Durchbruch des Projekts ist die Entwicklung einer neuen Technik der additiven Verbundfertigung namens „Rotoprinting“. Auf den ersten Blick erinnert der Prozess an das klassische Filamentwickeln von Verbundrohren: Kontinuierliche Fasern und eine Matrix werden auf einen rotierenden Körper aufgebracht. Doch im Gegensatz zum Standardwickeln ermöglicht das Rotoprinting das schichtweise Ablegen von Fasern in komplexen helikalen Mustern, wobei Winkel, Abfolge und Dicke jeder Schicht präzise gesteuert werden.

Genau durch dieses „digitale Weben“ wird das zukünftige Verhalten der Konstruktion definiert. Das Verhältnis der in kleinen und großen Winkeln verlegten Fasern, die Art und Weise, wie sich die Schichten kreuzen, sowie die Übergänge zwischen Zonen unterschiedlicher Faserdichte bestimmen, ob sich das Rohr bei Erwärmung primär biegt, windet oder beide Effekte kombiniert. Durch den Druck wird somit nicht nur die Geometrie erzeugt, sondern ein Verformungsplan in die Architektur des Materials eingeschrieben.

Die Forscher haben gezeigt, dass durch die Kombination verschiedener Rohrelemente – jedes mit eigenem Verformungs-„Programm“ – eine längere Struktur gebaut werden kann, deren Verhalten sich über die Länge ändert. Ein Segment kann stark auf kleine Temperaturunterschiede reagieren, ein anderes aktiviert sich erst bei höheren Temperaturen und ein drittes bleibt fast neutral. Auf diese Weise kann ein kontinuierliches Verbundelement mehrere funktionale Zonen ohne mechanische Verbindungen enthalten.

Ein weiterer Vorteil dieses Ansatzes ist die Möglichkeit, kontinuierliche Fasern und Roboterarme zur Herstellung sehr langer Strukturen zu nutzen. Während Laborprototypen derzeit im Bereich von einem Meter liegen, ist das gleiche Prinzip bei entsprechender Skalierung der Ausrüstung auf Strukturen von mehreren Metern Höhe oder mehr anwendbar – was den Weg für den Einsatz in Solarfarmen auf Planetenoberflächen, aber auch in Weltraumantennen oder Modulen ebnet, die nach der Ankunft im Orbit passiv entfaltet werden müssen.

Vom Sonnenblumen-inspirierten Solartracker: Wie die Struktur der Sonne selbst „folgt“

Der attraktivste Demonstrator der entwickelten Technologie ist der passive Solartracker. Anstelle einer Reihe von Motoren und Steuerungscomputern besteht dieses System aus einer Plattform, auf der ein Solarpanel montiert ist, und einem darunter angeordneten Satz von 4D-gedruckten röhrenförmigen Metastrukturen. Wenn die Sonne eine Seite der Konstruktion erwärmt, bewirkt die Innenarchitektur des Verbundmaterials ein Schwenken der Plattform zur Wärmequelle hin, ähnlich wie sich eine Sonnenblume im Laufe des Tages nach ihr dreht.

Während sich die Sonne am Himmel bewegt, ändert sich die Temperaturverteilung in der Struktur und damit die Position der Plattform. Wenn sich die Bedingungen ändern – zum Beispiel, wenn das Panel in den Schatten tritt oder die Nacht hereinbricht – kehrt das Verbundmaterial allmählich in eine neutralere Position zurück. Alles geschieht kontinuierlich, ohne ruckartige Bewegungen oder den Lärm, den Motoren erzeugen würden, und ohne ein einziges Watt an zusätzlichem Energieverbrauch.

Neben der Energieeinsparung bringt der passive Ansatz auch eine wesentliche Vereinfachung des Systems mit sich. Es gibt keine Kabel, Netzteile, Zahnräder oder Lager, die geschmiert und gewartet werden müssen. Dies reduziert die Masse, aber auch das Ausfallrisiko – ein extrem wichtiger Faktor für Geräte, die an entlegenen Orten zuverlässig funktionieren müssen, sei es in Polarregionen auf der Erde oder in Mond- oder Marsbasen, wo eine Wartung keine Option ist.

Laborprototypen haben gezeigt, dass es möglich ist, ein signifikantes Schwenken der Plattform in realistischen Temperaturgradienten zu erreichen, was den passiven Tracker zumindest für bestimmte Szenarien gegenüber klassischen Lösungen wettbewerbsfähig macht. Obwohl es sich um einen Demonstrator auf der Ebene der frühen technologischen Entwicklung handelt, hat das Konzept klar gezeigt, dass „intelligentes“ Verhalten durch das Design der Metastruktur und nicht durch das Hinzufügen von Elektronik erreicht werden kann.

Basaltfasern und lunares Regolith: Bauen aus lokalen Ressourcen

Einer der interessantesten Aspekte des Projekts ist seine Verbindung zur Forschung über die Nutzung lokaler Ressourcen auf dem Mond. Basaltfasern, die das Rückgrat vieler entwickelter Metakomposite bilden, können potenziell aus lunarem Regolith gewonnen werden, also der feinkörnigen, pulverförmigen Gesteinsmasse, die die Oberfläche des Mondes bedeckt. Die ESA und Partnerinstitutionen haben bereits Studien zur Extraktion und Verarbeitung solcher Fasern für den Bau von Mondbehausungen und Infrastrukturelementen durchgeführt.

Wenn Basaltfasern auf dem Mond selbst hergestellt und dann mit geeigneten Matrizen in Geopolymeren oder anderen Verbundmaterialien kombiniert werden können, eröffnet sich die Möglichkeit einer vollständig lokalen Produktion von 4D-gedruckten Strukturen. Roboterarme könnten lunares Regolith als Rohstoff nutzen, röhrenförmige Metastrukturen schaffen und sie zu tragenden, aber auch funktional aktiven Elementen wie passiven Solartrackern oder adaptiven Halterungen für Kommunikationsantennen zusammensetzen.

Ein solcher Ansatz fügt sich perfekt in die Prinzipien der Kreislaufwirtschaft im Weltraumkontext ein: Anstatt komplexe mechanische Baugruppen von der Erde heranzuschaffen, würde auf dem Mond lokales Gestein verwendet, und die entstandenen Strukturen könnten während ihrer Lebensdauer mehrfach angepasst oder recycelt werden. Nachdem sie ihre primäre Aufgabe erfüllt haben, könnten dieselben Rohre und Blöcke in Schutzbarrieren, Lagermodule oder andere Komponenten einer zukünftigen Mondbasis eingebaut werden.

Dabei bringt der 4D-Druck einen weiteren Vorteil: Dasselbe Material kann in verschiedenen Phasen der Mission unterschiedliche Funktionen erfüllen. Zu Beginn könnten die Metastrukturen für die Entfaltung und Ausrichtung optimiert sein, später könnte ihr Beitrag zur mechanischen Steifigkeit oder zum Strahlenschutz höher geschätzt werden. Durch die Änderung der Umgebungsbedingungen ändert sich auch die dominante Rolle, die das eingebaute Materialverhalten spielt.

Nachhaltigkeit durch Vereinfachung von Weltraumsystemen

Im Zentrum der ganzen Geschichte steht die Idee, dass Nachhaltigkeit im Weltraum oft durch radikale Vereinfachung erreicht wird. Jeder Motor, Sensor oder Elektronikbaustein erfordert Energie, Redundanz und zusätzliche Masse, und jede mechanische Verbindung ist ein potenzieller Fehlerpunkt. Wenn eine Funktion wie die Ausrichtung zur Sonne so realisiert werden kann, dass sie von der Struktur selbst übernommen wird, wird das Weltraumsystem leichter, weniger komplex und autonomer.

4D-gedruckte Metastrukturen passen in diese Logik: Einmal hergestellt und eingebaut, benötigen sie außer den natürlichen Veränderungen in der Umgebung keine zusätzlichen Eingaben. Im Weltraum bedeutet dies Temperaturzyklen zwischen der sonnigen und der schattigen Seite des Orbits oder planetare Rotationen, während auf Planetenoberflächen auch saisonale Änderungen in Betracht kommen. Das Material verhält sich wie ein „passiver Computer“, der basierend auf der Temperaturänderung „berechnet“, wie viel und in welche Richtung er sich bewegen muss.

Ein solcher Ansatz entspricht auch dem breiteren strategischen Ziel der ESA, in ihren zukünftigen Missionen den Grad der Systemautonomie zu erhöhen und die Notwendigkeit ständiger Interventionen von der Erde aus zu verringern. Unter Bedingungen von Signalverzögerungen und begrenztem Datendurchsatz bringt jeder Mechanismus, der selbst „weiß“, was zu tun ist, ohne aktive Steuerung, einen direkten operativen Vorteil.

Gleichzeitig bedeuten einfachere Strukturen auch eine einfachere Wartung. Im Falle einer Beschädigung kann der Austausch eines Moduls der Metastruktur schneller und kostengünstiger sein als die Reparatur eines gesamten motorisierten Mechanismus. Der modulare Ansatz, wie ihn das patentierte Konzept vorsieht, ermöglicht die schrittweise Aufrüstung oder Anpassung des Systems je nach Missionsbedarf.

Vom Mond zur Erde: Anwendungen in Energie und Bauwesen

Obwohl die ersten Demonstratoren für den Weltraum konzipiert wurden, entwickeln die Forscher parallel dazu terrestrische Versionen der Technologie. Anstelle von Basaltfasern in Verbindung mit lunarem Regolith werden lokale Naturfasern verwendet – zum Beispiel Flachs, Hanf oder andere pflanzliche Rohstoffe –, die mit geeigneten Matrizen kombiniert werden, um Biokomposite mit programmiertem Verhalten zu schaffen. Auf diese Weise erhält das Konzept der „Weltraum“-Metastrukturen sehr konkrete Anwendungen im Kontext der grünen Wende auf der Erde.

Passive Solartracker könnten in kleinen und mittleren Solaranlagen eingesetzt werden, bei denen der Gewinn durch die Nachführung der Sonne signifikant ist, die komplexe Mechanik jedoch zu teuer wäre. Im Gegensatz zu massiven Industriesystemen würden hier einfache 4D-gedruckte Module eine grundlegende Nachführung der Sonnenposition ohne die Notwendigkeit ständiger Wartung ermöglichen, was besonders für entlegene oder schwer zugängliche Gebiete attraktiv ist.

Ein weiteres potenzielles Anwendungsgebiet sind Fassadenelemente und Beschattungen, die ihre Form je nach Temperatur oder Strahlungsintensität ändern. Solche Strukturen könnten im Winter mehr Sonnenwärme durchlassen und sich im Sommer „schließen“, um eine Überhitzung der Räume zu verringern, alles ohne Sensoren und Motoren. 4D-gedruckte Biokomposite werden damit zu einem Werkzeug für die passive Regulierung von Wärmeströmen in Gebäuden und die Reduzierung des Energieverbrauchs für Heizung und Kühlung.

In Infrastrukturprojekten sind auch adaptive Konstruktionen möglich, die Vibrationen dämpfen oder sich an Belastungen anpassen, zum Beispiel in Brücken, Türmen oder Geräteträgern. Obwohl solche Anwendungen noch im Stadium konzeptioneller Studien sind, ist die gemeinsame Idee, dass wir uns anstelle komplexer aktiver Systeme auf „intelligent“ gestaltete Materialien verlassen.

Industriepartner und gemeinsames Labor zur Skalierung der Technologie

Um die Technologie vom Labortisch in die industrielle Anwendung zu bringen, hat die Université de Bretagne Sud ein gemeinsames Labor mit dem Unternehmen Coriolis Composites eingerichtet, einem der führenden Hersteller von Roboterzellen und Software für das automatisierte Verlegen von Verbundfasern. In diesem gemeinsamen Labor namens CompoMorph wird untersucht, wie die Prinzipien des Rotoprinting und 4D-Drucks auf Geräte und Prozesse übertragen werden können, die bereits heute in Industriebetrieben arbeiten.

Roboterarme, die Coriolis Composites für klassische Verbundstrukturen in der Luftfahrt, Energie und dem Automobilsektor entwickelt, erhalten eine neue Rolle als Plattformen für die Herstellung von Metastrukturen mit veränderlicher Form. Anstatt Schichten nur zur Erreichung der gewünschten Festigkeit und Steifigkeit zu verlegen, müssen sie nun präzise dem von den Forschern definierten „Verhaltenspfad“ folgen – der Geografie der Fasern, die bestimmt, wie sich die Struktur im Laufe der Zeit verändern wird.

Die Zusammenarbeit mit der Industrie umfasst auch die Definition zukünftiger Spezifikationen für Weltraummissionen. Unternehmen aus dem Weltraumsektor sind an Systemen interessiert, die die Masse und Komplexität von Weltraumantennen, Panels oder Strukturen, die nach dem Start entfaltet werden, reduzieren könnten. Passive Aktuatoren auf Basis von 4D-gedruckten Kompositen bieten die Möglichkeit, einen Teil dieser Funktionen aus dem Bereich der Mechanik und Elektronik in den Bereich fortschrittlicher Materialien zu übertragen.

Ein solcher Wissenstransfer aus Forschungslaboren in den industriellen Kontext ist auch entscheidend für die weitere Finanzierung der Entwicklung. Das Projekt zum passiven Solartracker hat durch neue Vorschläge für das Discovery-Programm der ESA, aber auch durch nationale und europäische Projekte, die auf 4D-Druck und nachhaltige Komposite ausgerichtet sind, weitergelebt.

Neue Forschung und nächste Schritte in der Entwicklung von 4D-Kompositen

Die Arbeit an bioinspirierten tubulären und helikalen Metakompositen endete nicht mit der Veröffentlichung einer wissenschaftlichen Arbeit oder der Erteilung eines Patents. Im Gegenteil, gerade diese Ergebnisse haben neue Fragen aufgeworfen und eine Serie weiterer Studien angestoßen. Eine davon konzentriert sich auf die Entwicklung nachhaltiger 4D-gedruckter Biokomposite, die Naturfasern und biobasierte Matrizen kombinieren, wobei der Schwerpunkt auf der programmierten Formänderung bei minimalem CO2-Fußabdruck liegt.

Ein zweites Forschungsgebiet betrifft die Skalierung der Technologie und die Zuverlässigkeit unter realen Bedingungen. Es muss detailliert untersucht werden, wie sich langzeitiges zyklisches Erwärmen und Abkühlen auf die Eigenschaften der Metastrukturen auswirkt, wie oft die Verformung ohne merkliche Materialermüdung „aktiviert“ werden kann und wie lokale Schäden das globale Verhalten der Konstruktion beeinflussen. Diese Fragen sind entscheidend, bevor passive Solartracker oder ähnliche Systeme für Missionen mit hohem Risikograd entworfen werden.

Eine dritte Forschungslinie befasst sich mit der Integration solcher Strukturen in breitere Ingenieursysteme. Selbst wenn wir uns auf die passive Formänderung verlassen, muss verstanden werden, wie sich die 4D-Metastruktur in Kombination mit klassischen Trägern, Panels, Behältern oder Instrumenten verhält. Simulationsmodelle müssen sowohl thermisches als auch mechanisches Verhalten sowie die Interaktion mit der Umgebung umfassen – vom Vakuum und der Strahlung bis hin zu den Belastungsfeldern beim Start.

Und schließlich arbeiten die Forschungsteams weiterhin an der Erweiterung des Designraums: Es werden neue Muster für die Faserablage, neue Materialkombinationen und neue Geometrien für Rohr- und Plattenstrukturen gesucht, die auf spezifische Missionsherausforderungen reagieren können. Jedes neue Muster ist gleichzeitig ein neues „Wort“ in der Sprache, mit der Ingenieure mit dem Material kommunizieren und definieren, was es tun soll, wenn sich die Bedingungen ändern.

Open Innovation als Motor der Entwicklung von Weltraumtechnologien

Die Idee des passiven Solartrackers und der 4D-gedruckten Metastrukturen zur programmierbaren Formänderung wurde ursprünglich über die ESA-Plattform für offene Weltraum-Innovationen, die Open Space Innovation Platform (OSIP), eingereicht. Dieser Mechanismus ermöglicht es Forschern aus Wissenschaft und Industrie, unkonventionelle Konzepte vorzuschlagen, die traditionelle Programme vielleicht nicht sofort erkennen würden.

Nach einer ersten Auswahl wurde das Projekt über das Discovery-Element der ESA-Basisaktivitäten finanziert, das als Testfeld für riskantere, aber potenziell disruptive Forschung dient. Genau in diesem Rahmen erhielt das Team die Freiheit, mit der Kombination von fortschrittlicher Verbundtechnologie, Inspiration aus der Biologie und dem Konzept des 4D-Drucks zu experimentieren. Das Ergebnis ist ein Beispiel dafür, wie sich eine relativ kleine Studie in ein Patent, eine Reihe wissenschaftlicher Arbeiten und eine völlig neue Forschungsrichtung verwandeln kann.

Obwohl es noch dauern wird, bis passive Solartracker auf Basis von 4D-Metastrukturen auf dem Mond oder in kommerziellen Solarparks auf der Erde zu finden sein werden, verändern die heutigen Ergebnisse bereits die Art und Weise, wie wir über Strukturen denken. Anstatt Materialien als passive „Träger“ zu sehen, nehmen wir sie immer öfter als aktive Teilnehmer am Systembetrieb wahr – von der Entfaltung von Geräten im Weltraum bis zum Energiemanagement in unseren Städten.