Europejska Agencja Kosmiczna (ESA) od lat bada, w jaki sposób struktury w kosmosie mogą być lżejsze, bardziej autonomiczne i odporne, ale najnowsze wyniki projektu pasywnego trackera słonecznego poszły o krok dalej, niż początkowo oczekiwano. Zamiast klasycznych układów mechanicznych z silnikami, reduktorami i czujnikami, badacze opracowali nową generację kompozytowych metastruktur, które same zmieniają kształt pod wpływem zmian warunków otoczenia, opierając się na zasadach druku 4D i inspiracjach z biologii.

Jest to podejście, w którym konstrukcja nie jest postrzegana jedynie jako statyczny obiekt, lecz jako system materiałowy z „wbudowanym” zachowaniem. W tej koncepcji wymiar czasu – czwarty wymiar w stosunku do klasycznego druku 3D – staje się równie ważny jak geometria. Struktura, która w zimnych, ciemnych warunkach jest całkowicie płaska, może na przykład stopniowo wyginać się w stronę źródła ciepła i promieniowania wraz ze wzrostem temperatury, a następnie powrócić do pierwotnego położenia, gdy warunki ulegną zmianie.

Badania prowadzi zespół z Université de Bretagne Sud (UBS) oraz grupy badawczej Bionics Group we współpracy z ESA i partnerami przemysłowymi. Ich praca nad bioinspirowanymi metakompozytami rurkowymi i helikoidalnymi wydrukowanymi w 4D, opublikowana w prestiżowym czasopiśmie Advanced Materials Technologies, wykazała, że takie struktury można precyzyjnie zaprogramować tak, aby poruszały się bez żadnego dodatkowego źródła energii, wyłącznie dzięki zmianom temperatury i promieniowania słonecznego.

Od koncepcji do patentu: jak powstała autonomiczna struktura adaptacyjna

W ramach inicjatywy ESA służącej odkrywaniu i testowaniu radykalnie nowych pomysłów, badacze najpierw opracowali model teoretyczny i symulacje numeryczne zachowania rur kompozytowych o specjalnie zaprojektowanej architekturze wewnętrznej. Analizowali, jak kierunek, gęstość i układ włókien w warstwach wpływają na skręcanie, wyginanie lub torsję podczas podgrzewania materiału. Takie podejście pozwoliło już na etapie projektowania przewidzieć, o ile przesunie się konstrukcja przy zadanej zmianie temperatury.

Wyniki przerosły początkowe oczekiwania: okazało się, że gęstość energii tych metakompozytów – po znormalizowaniu względem ich sztywności – może mierzyć się z możliwościami klasycznych stopów z efektem pamięci kształtu, ale przy prostszej konstrukcji i bez złożonych systemów siłowników. Ta kombinacja opracowania teoretycznego i praktycznych eksperymentów była na tyle przekonująca, że ESA zastrzegła technologię patentem na autonomiczne rurkowe adaptacyjne struktury kompozytowe, przeznaczone przede wszystkim do zastosowań kosmicznych.

Kierownik działań w ESA, Ugo Lafont, podkreśla, że uzyskane wyniki wykroczyły poza pierwotne oczekiwania i że to właśnie połączenie badań akademickich z zastosowaniami kosmicznymi sprawiło, że koncepcja stała się wystarczająco dojrzała do ochrony patentowej.

Patent obejmuje nowy sposób składania wydrukowanych w 4D „klocków” w modułowe zespoły, które mogą być pasywnie rekonfigurowane. Każdy blok sam w sobie jest rurkową metastrukturą, ale dopiero ich przestrzenne ułożenie umożliwia wyrafinowane deformacje całego zespołu – na przykład wspólny obrót platformy, na której zamontowany jest panel słoneczny, bez żadnego silnika ani koła zębatego.

Takie podejście zmienia paradygmat klasycznej inżynierii: zamiast późniejszego dodawania do struktury siłowników, łożysk i osi, funkcja zostaje „zapisana” w samym materiale. Konstrukcja staje się więc zarówno nośna, jak i aktywna, co jest szczególnie ważne w kosmosie, gdzie każdy dodatkowy element stanowi obciążenie przy starcie i potencjalny punkt awarii.

Rotodrukowanie: druk 4D programujący zachowanie w samej architekturze

Kluczowym przełomem technologicznym projektu jest opracowanie nowej techniki kompozytowej produkcji przyrostowej nazwanej „rotodrukowaniem”. Na pierwszy rzut oka proces przypomina klasyczne nawijanie włókien (filament winding) rur kompozytowych: ciągłe włókna i matryca są nakładane na obracający się korpus. Jednak w przeciwieństwie do standardowego nawijania, rotodrukowanie umożliwia warstwowe układanie włókien w złożone wzory helikoidalne, przy czym kąt, kolejność i grubość każdej warstwy są precyzyjnie kontrolowane.

Właśnie poprzez to „cyfrowe tkanie” definiowane jest przyszłe zachowanie konstrukcji. Stosunek włókien ułożonych pod małym i dużym kątem, sposób krzyżowania się warstw oraz przejścia między strefami o różnej gęstości włókien decydują o tym, czy rura będzie się głównie zginać, skręcać, czy łączyć oba te efekty podczas nagrzewania. Druk nie tworzy więc tylko geometrii, lecz w architekturze materiału zapisywany jest plan deformacji.

Badacze wykazali, że łącząc różne sekcje rur – każda z własnym „programem” deformacji – można zbudować dłuższą strukturę, której zachowanie zmienia się na jej długości. Jeden segment może silnie reagować na małe różnice temperatur, inny aktywuje się dopiero przy wyższych temperaturach, a trzeci pozostaje prawie neutralny. W ten sposób jeden ciągły element kompozytowy może zawierać wiele stref funkcjonalnych bez połączeń mechanicznych.

Kolejną zaletą tego podejścia jest możliwość wykorzystania ciągłych włókien i ramion robotycznych do produkcji bardzo długich struktur. Podczas gdy prototypy laboratoryjne mają obecnie rzędy wielkości metra, ta sama zasada, przy skalowaniu sprzętu, ma zastosowanie do struktur o wysokości kilku metrów lub większej – co otwiera drogę do zastosowań w farmach słonecznych na powierzchniach planet, a także w antenach kosmicznych lub modułach, które muszą zostać pasywnie rozłożone po dotarciu na orbitę.

Tracker słoneczny inspirowany słonecznikiem: jak struktura sama „śledzi” Słońce

Najatrakcyjniejszym demonstratorem opracowanej technologii jest pasywny tracker słoneczny. Zamiast szeregu silników i komputerów sterujących, system ten składa się z platformy, na której zamontowano panel słoneczny, oraz umieszczonego pod nią złożonego zestawu wydrukowanych w 4D rurkowych metastruktur. Gdy Słońce nagrzewa jedną stronę konstrukcji, wewnętrzna architektura kompozytu powoduje obrót platformy w stronę źródła ciepła, podobnie jak kwiat słonecznika zwraca się za nim w ciągu dnia.

W miarę jak Słońce przesuwa się po niebie, zmienia się rozkład temperatury w strukturze, a wraz z nim położenie platformy. Gdy warunki ulegną zmianie – na przykład gdy panel wejdzie w cień lub zapadnie noc – kompozyt stopniowo powraca do bardziej neutralnego położenia. Wszystko odbywa się w sposób ciągły, bez gwałtownych ruchów czy hałasu generowanego przez silniki, i bez ani jednego wata dodatkowego zużycia energii.

Oprócz oszczędności energii, podejście pasywne przynosi również istotne uproszczenie systemu. Nie ma kabli, zasilania, kół zębatych ani łożysk, które trzeba smarować i serwisować. Zmniejsza to masę, ale także ryzyko awarii – niezwykle ważny czynnik dla sprzętu, który musi niezawodnie pracować w odległych miejscach, czy to w regionach polarnych na Ziemi, czy w bazach księżycowych lub marsjańskich, gdzie serwis nie wchodzi w grę.

Prototypy laboratoryjne wykazały, że możliwe jest osiągnięcie znaczącego obrotu platformy w realistycznych gradientach temperatury, co czyni pasywny tracker konkurencyjnym wobec klasycznych rozwiązań przynajmniej w określonych scenariuszach. Choć jest to demonstrator na poziomie wczesnego rozwoju technologicznego, koncepcja jasno pokazała, że „inteligentne” zachowanie można uzyskać poprzez projektowanie metastruktury, a nie poprzez dodawanie elektroniki.

Włókna bazaltowe i regolit księżycowy: budowanie z lokalnych zasobów

Jednym z najciekawszych aspektów projektu jest jego związek z badaniami nad wykorzystaniem lokalnych zasobów na Księżycu. Włókna bazaltowe, które stanowią szkielet wielu opracowanych metakompozytów, mogą być potencjalnie pozyskiwane z regolitu księżycowego, czyli drobnoziarnistej, pylistej masy skalnej pokrywającej powierzchnię Księżyca. ESA i instytucje partnerskie przeprowadziły już badania nad ekstrakcją i przetwarzaniem takich włókien na potrzeby budowy siedlisk księżycowych i elementów infrastruktury.

Jeśli włókna bazaltowe można produkować na samym Księżycu, a następnie łączyć z odpowiednimi matrycami w materiałach geopolimerowych lub innych kompozytach, otwiera się możliwość całkowicie lokalnej produkcji struktur wydrukowanych w 4D. Ramiona robotyczne mogłyby wykorzystywać regolit księżycowy jako surowiec, tworzyć rurkowe metastruktury i składać je w nośne, ale także funkcjonalnie aktywne elementy, takie jak pasywne trackery słoneczne czy adaptacyjne wsporniki anten komunikacyjnych.

Takie podejście idealnie wpisuje się w zasady gospodarki o obiegu zamkniętym w kontekście kosmicznym: zamiast sprowadzać z Ziemi złożone zespoły mechaniczne, na Księżycu wykorzystywano by lokalną skałę, a powstałe struktury mogłyby być w trakcie eksploatacji wielokrotnie dostosowywane lub recyklingowane. Po zakończeniu swojego podstawowego zadania, te same rury i bloki mogłyby zostać wbudowane w bariery ochronne, moduły magazynowe lub inne komponenty przyszłej bazy księżycowej.

Przy tym druk 4D przynosi dodatkową zaletę: ten sam materiał może w różnych fazach misji pełnić różne funkcje. Na początku metastruktury byłyby optymalizowane pod kątem rozkładania i orientacji, a później bardziej doceniany mógłby być ich wkład w sztywność mechaniczną lub ochronę przed promieniowaniem. Przez zmianę warunków otoczenia zmienia się również dominująca rola, jaką odgrywa wbudowane zachowanie materiału.

Zrównoważony rozwój poprzez uproszczenie systemów kosmicznych

W centrum całej historii znajduje się idea, że zrównoważony rozwój w kosmosie często osiąga się poprzez radykalne uproszczenie. Każdy silnik, czujnik czy układ elektroniki wymaga energii, redundancji i dodatkowej masy, a każde połączenie mechaniczne to potencjalny punkt awarii. Jeśli funkcja taka jak orientacja względem Słońca może zostać zrealizowana poprzez przejęcie jej przez samą strukturę, system kosmiczny staje się lżejszy, mniej złożony i bardziej autonomiczny.

Metastruktury wydrukowane w 4D wpisują się w tę logikę: raz wyprodukowane i zamontowane, nie potrzebują dodatkowych sygnałów poza naturalnymi zmianami w otoczeniu. W kosmosie oznacza to cykle temperatury między słoneczną a zacienioną stroną orbity lub rotacje planetarne, natomiast na powierzchniach planet w grę wchodzą również zmiany sezonowe. Materiał zachowuje się jak „pasywny komputer”, który na podstawie zmiany temperatury „oblicza”, o ile i w którym kierunku ma się przesunąć.

Takie podejście odpowiada również szerszemu celowi strategicznemu ESA, aby w swoich przyszłych misjach zwiększyć stopień autonomii systemów i zmniejszyć potrzebę stałej interwencji z Ziemi. W warunkach opóźnień sygnału i ograniczonej przepustowości danych, każdy mechanizm, który sam „wie”, co należy robić, bez aktywnej kontroli, przynosi bezpośrednią korzyść operacyjną.

Jednocześnie prostsze struktury oznaczają prostszą konserwację. W przypadku uszkodzenia, wymiana jednego modułu metastruktury może być szybsza i tańsza niż naprawa całego zmotoryzowanego mechanizmu. Podejście modułowe, jakie przewiduje opatentowana koncepcja, umożliwia stopniową rozbudowę lub dostosowywanie systemu w zależności od potrzeb misji.

Od Księżyca do Ziemi: zastosowania w energetyce i budownictwie

Choć pierwsze demonstratory pomyślano o kosmosie, badacze równolegle opracowują ziemskie wersje technologii. Zamiast włókien bazaltowych powiązanych z regolitem księżycowym, wykorzystuje się lokalne włókna naturalne – na przykład len, konopie lub inne surowce roślinne – które łączy się z odpowiednimi matrycami, aby powstały biokompozyty o zaprogramowanym zachowaniu. W ten sposób koncepcja „kosmicznych” metastruktur zyskuje bardzo konkretne zastosowania w kontekście zielonej transformacji na Ziemi.

Pasywne trackery słoneczne mogłyby być wykorzystywane w małych i średnich instalacjach solarnych, gdzie korzyść ze śledzenia Słońca jest znacząca, ale złożona mechanika zbyt droga. W przeciwieństwie do masywnych systemów przemysłowych, tutaj proste moduły wydrukowane w 4D umożliwiłyby podstawowe śledzenie położenia Słońca bez potrzeby stałej konserwacji, co jest szczególnie atrakcyjne dla obszarów oddalonych lub trudno dostępnych.

Kolejnym potencjalnym obszarem zastosowań są elementy fasadowe i osłony, które zmieniają kształt w zależności od temperatury lub intensywności promieniowania. Takie struktury mogłyby zimą przepuszczać więcej ciepła słonecznego, a latem „zamykać się”, aby ograniczyć przegrzewanie pomieszczeń, a wszystko to bez czujników i silników. Biokompozyty wydrukowane w 4D stają się tym samym narzędziem do pasywnej regulacji przepływów ciepła w budynkach i redukcji zużycia energii na ogrzewanie i chłodzenie.

W projektach infrastrukturalnych możliwe są również konstrukcje adaptacyjne, które tłumią wibracje lub dostosowują się do obciążeń, na przykład w mostach, wieżach czy wspornikach urządzeń. Choć takie zastosowania są wciąż w fazie badań koncepcyjnych, wspólną ideą jest to, aby zamiast złożonych systemów aktywnych polegać na „inteligentnie” zaprojektowanych materiałach.

Partnerzy przemysłowi i wspólne laboratorium dla skalowania technologii

Aby przenieść technologię ze stołu laboratoryjnego do zastosowań przemysłowych, Université de Bretagne Sud utworzył wspólne laboratorium z firmą Coriolis Composites, jednym z wiodących producentów cel robotycznych i oprogramowania do zautomatyzowanego układania włókien kompozytowych. W tym wspólnym laboratorium, nazwanym CompoMorph, bada się, jak zasady rotodrukowania i druku 4D przenieść na sprzęt i procesy, które już dziś pracują w zakładach przemysłowych.

Zrobotyzowane ramiona, które Coriolis Composites opracowuje dla klasycznych struktur kompozytowych w lotnictwie, energetyce i sektorze motoryzacyjnym, zyskują nową rolę jako platformy do produkcji metastruktur o zmiennym kształcie. Zamiast tylko układać warstwy w celu uzyskania pożądanej wytrzymałości i sztywności, muszą teraz precyzyjnie śledzić również „ścieżkę zachowania” zdefiniowaną przez badaczy – geografię włókien, która określa, jak struktura będzie się zmieniać w czasie.

Współpraca z przemysłem obejmuje również definiowanie przyszłych specyfikacji dla misji kosmicznych. Firmy z sektora kosmicznego są zainteresowane systemami, które mogłyby zmniejszyć masę i złożoność anten kosmicznych, paneli czy struktur rozkładanych po starcie. Pasywne siłowniki na bazie kompozytów wydrukowanych w 4D oferują możliwość przeniesienia części tych funkcji z domeny mechaniki i elektroniki do domeny zaawansowanych materiałów.

Taki transfer wiedzy z laboratoriów badawczych do kontekstu przemysłowego jest kluczowy także dla dalszego finansowania rozwoju. Projekt pasywnego trackera słonecznego kontynuuje życie poprzez nowe propozycje do programu Discovery ESA, ale także poprzez projekty krajowe i europejskie ukierunkowane na druk 4D i zrównoważone kompozyty.

Nowe badania i kolejne kroki w rozwoju kompozytów 4D

Prace nad bioinspirowanymi rurkowymi i helikoidalnymi metakompozytami nie zakończyły się wraz z publikacją jednej pracy naukowej czy zatwierdzeniem patentu. Przeciwnie, właśnie te wyniki otworzyły nowe pytania i zainicjowały serię dalszych badań. Jedno z nich koncentruje się na opracowaniu zrównoważonych biokompozytów wydrukowanych w 4D, które łączą włókna naturalne i matryce pochodzenia biologicznego, przy czym nacisk kładzie się na zaprogramowaną zmianę kształtu przy minimalnym śladzie węglowym.

Drugi obszar badawczy dotyczy skalowania technologii i niezawodności w warunkach rzeczywistych. Należy szczegółowo zbadać, jak długotrwałe cykliczne nagrzewanie i chłodzenie wpływa na właściwości metastruktur, ile razy można „aktywować” deformację bez zauważalnego zmęczenia materiału oraz jak lokalne uszkodzenia wpływają na globalne zachowanie konstrukcji. Pytania te są kluczowe, zanim pasywne trackery słoneczne lub podobne systemy zaczną być projektowane dla misji o wysokim stopniu ryzyka.

Trzecia linia badań zajmuje się integracją takich struktur w szersze systemy inżynieryjne. Nawet gdy polegamy na pasywnej zmianie kształtu, konieczne jest zrozumienie, jak metastruktura 4D będzie się zachowywać w połączeniu z klasycznymi wspornikami, panelami, zbiornikami czy instrumentami. Modele symulacyjne muszą obejmować zarówno zachowanie termiczne, jak i mechaniczne, a także interakcję z otoczeniem – od próżni i promieniowania po pola obciążeń podczas startu.

I wreszcie, zespoły badawcze nadal pracują nad rozszerzeniem przestrzeni projektowej: poszukiwane są nowe wzory układania włókien, nowe kombinacje materiałów i nowe geometrie struktur rurkowych i płytowych, które mogłyby odpowiedzieć na specyficzne wyzwania misji. Każdy nowy wzór to zarazem nowe „słowo” w języku, którym inżynierowie komunikują się z materiałem, definiując, co ma on zrobić, gdy warunki ulegną zmianie.

Otwarte innowacje jako motor rozwoju technologii kosmicznych

Pomysł pasywnego trackera słonecznego i wydrukowanych w 4D metastruktur do programowalnej zmiany kształtu został pierwotnie zgłoszony poprzez platformę ESA służącą otwartym innowacjom kosmicznym – Open Space Innovation Platform (OSIP). Mechanizm ten pozwala badaczom z akademii i przemysłu proponować niekonwencjonalne koncepcje, których tradycyjne programy mogłyby od razu nie rozpoznać.

Po wstępnej selekcji projekt został sfinansowany w ramach elementu Discovery Działań Podstawowych ESA, który służy jako poligon dla bardziej ryzykownych, ale potencjalnie przełomowych badań. To właśnie w tych ramach zespół otrzymał swobodę eksperymentowania z połączeniem zaawansowanej technologii kompozytowej, inspiracji z biologii i koncepcji druku 4D. Wynik jest przykładem tego, jak stosunkowo małe badanie może przekształcić się w patent, serię prac naukowych i cały nowy kierunek badań.

Choć minie jeszcze czas, zanim pasywne trackery słoneczne na bazie metastruktur 4D znajdą się na Księżycu czy w komercyjnych polach solarnych na Ziemi, dzisiejsze wyniki już teraz zmieniają sposób, w jaki myślimy o strukturach. Zamiast postrzegać materiały jako pasywne „nośniki”, coraz częściej postrzegamy je jako aktywnych uczestników pracy systemu – od rozkładania sprzętu w kosmosie po zarządzanie energią w naszych miastach.