Europska svemirska agencija (ESA) već godinama istražuje kako strukture u svemiru mogu biti lakše, autonomnije i otpornije, ali najnoviji rezultati projekta pasivnog solarnog trakera otišli su korak dalje od početnih očekivanja. Umjesto klasičnih mehaničkih sustava s motorima, reduktorima i senzorima, istraživači su razvili novu generaciju kompozitnih metastruktura koje same mijenjaju oblik kada se promijene uvjeti u okolini, oslanjajući se na principe 4D ispisa i inspiraciju iz biologije.

Riječ je o pristupu u kojem se konstrukcija ne promatra samo kao statičan objekt, nego kao materijalni sustav s „ugrađenim“ ponašanjem. U tom konceptu dimenzija vremena – četvrta dimenzija u odnosu na klasični 3D ispis – postaje jednako važna kao geometrija. Struktura koja je u hladnim, tamnim uvjetima potpuno ravna može se, primjerice, postupno savijati prema izvoru topline i zračenja kako raste temperatura, a zatim se ponovno vratiti u početni položaj kada se uvjeti promijene.

Nositelj istraživanja je tim s Université de Bretagne Sud (UBS) i istraživačke grupe Bionics Group, u suradnji s ESA-om i industrijskim partnerima. Njihov rad na bioinspiriranim 4D printanim cijevnim i helikoidalnim metakompozitima, objavljen u uglednom časopisu Advanced Materials Technologies, pokazao je da se takve strukture mogu precizno programirati da se pokreću bez ikakvog dodatnog izvora energije, samo zahvaljujući promjeni temperature i sunčevog zračenja.

Od koncepta do patenta: kako je nastala autonomna adaptivna struktura

Unutar ESA-ine inicijative za otkrivanje i testiranje radikalno novih ideja, istraživači su najprije razvili teorijski model i numeričke simulacije ponašanja kompozitnih cijevi s posebno dizajniranom unutarnjom arhitekturom. Analizirali su kako smjer, gustoća i raspored vlakana u slojevima utječu na zakretanje, savijanje ili torziju kad se materijal zagrije. Takav pristup je omogućio da se već u fazi dizajna predvidi koliko će se konstrukcija pomaknuti pri zadanoj promjeni temperature.

Rezultati su nadmašili početna očekivanja: pokazalo se da se energijska gustoća tih metakompozita – kada se normalizira na njihovu krutost – može mjeriti s mogućnostima klasičnih legura s efektom pamćenja oblika, ali uz jednostavniju konstrukciju i bez složenih aktuatorskih sustava. Ta kombinacija teorijske razrade i praktičnih eksperimenata bila je dovoljno uvjerljiva da ESA zaštiti tehnologiju patentom za autonomne cijevne adaptivne kompozitne strukture, namijenjene prije svega svemirskim primjenama.

Voditelj aktivnosti u ESA-i, Ugo Lafont, naglašava da su dobiveni rezultati otišli iznad prvotnih očekivanja te da je upravo spoj akademskog istraživanja i svemirske primjene učinio koncept dovoljno zrelim za patentnu zaštitu.

Patent pokriva nov način slaganja 4D printanih „građevnih blokova“ u modularne sklopove koji se mogu pasivno rekonfigurirati. Svaki blok je sam po sebi cijevna metastruktura, ali tek njihovo prostorno slaganje omogućuje sofisticirane deformacije cijelog sklopa – primjerice zajedničko zakretanje platforme na kojoj je postavljen solarni panel, bez ijednog motora ili zupčanika.

Takav pristup mijenja paradigmu klasičnog inženjerstva: umjesto da se na strukturu naknadno dodaju aktuatori, ležajevi i osovine, funkcija se „upiše“ u sam materijal. Konstrukcija tako postaje i nosiva i aktivna, što je osobito važno u svemiru gdje je svaka dodatna komponenta teret za lansiranje i potencijalna točka kvara.

Rotoprintanje: 4D ispis koji programira ponašanje u samoj arhitekturi

Ključni tehnološki iskorak projekta jest razvoj nove tehnike kompozitne aditivne proizvodnje nazvane „rotoprintanje“. Na prvi pogled, proces podsjeća na klasično filamentno namatanje kompozitnih cijevi: kontinuirana vlakna i matrica nanose se na rotirajuće tijelo. No za razliku od standardnog namatanja, rotoprintanje omogućuje slojevito polaganje vlakana u složenim helikoidalnim uzorcima, pri čemu je kut, slijed i debljina svakog sloja precizno kontrolirana.

Upravo se kroz to „digitalno tkanje“ definira buduće ponašanje konstrukcije. Omjer vlakana položenih pod malim i velikim kutom, način na koji se slojevi križaju te prijelazi između zona različite gustoće vlakana određuju hoće li se cijev primarno savijati, uvijati ili kombinirati oba efekta pri zagrijavanju. Ispisom se tako ne stvara samo geometrija, nego se u arhitekturu materijala zapisuje plan deformacije.

Istraživači su pokazali da se kombiniranjem različitih sekcija cijevi – svaka s vlastitim „programom“ deformacije – može izgraditi dulja struktura čije se ponašanje po duljini mijenja. Jedan segment može reagirati snažno na male temperaturne razlike, drugi se aktivira tek pri višim temperaturama, a treći ostaje gotovo neutralan. Na taj način jedan kontinuirani kompozitni element može sadržavati više funkcionalnih zona, bez mehaničkih spojeva.

Još jedna prednost ovakvog pristupa je mogućnost korištenja kontinuiranih vlakana i robotičkih ruku za proizvodnju vrlo dugačkih struktura. Dok su laboratorijski prototipovi trenutačno reda veličine metra, isti princip je, uz skaliranje opreme, primjenjiv na strukture visoke nekoliko metara ili više – što otvara put primjeni u solarnim farmama na planetarnim površinama, ali i u svemirskim antenama ili modulima koje je potrebno pasivno razmjestiti nakon dolaska u orbitu.

Solarni traker nadahnut suncokretom: kako struktura sama „prati“ Sunce

Najatraktivniji demonstrator razvijene tehnologije je pasivni solarni traker. Umjesto niza motora i kontrolnih računala, ovaj sustav čini platforma na kojoj je postavljen solarni panel i ispod nje složen skup 4D printanih cijevnih metastruktura. Kada Sunce zagrije jednu stranu konstrukcije, unutarnja arhitektura kompozita uzrokuje zakretanje platforme prema izvoru topline, slično načinu na koji se cvijet suncokreta okreće za njim tijekom dana.

Kako se Sunce kreće po nebu, mijenja se raspodjela temperature u strukturi, a s njom i položaj platforme. Kada se uvjeti promijene – primjerice, kada panel uđe u sjenu ili se spusti noć – kompozit se postupno vraća u neutralniji položaj. Sve se odvija kontinuirano, bez naglih pomaka ili buke koju bi proizvodili motori, a bez ijednog vata dodatne potrošnje energije.

Osim uštede energije, pasivni pristup donosi i bitno pojednostavljenje sustava. Nema kabela, napajanja, zupčanika ni ležajeva koje treba podmazivati i servisirati. Time se smanjuje masa, ali i rizik otkaza – iznimno važan faktor za opremu koja mora pouzdano raditi na udaljenim mjestima, bilo u polarnim područjima na Zemlji, bilo na lunarnim ili marsovskim bazama gdje servis nije opcija.

Laboratorijski prototipovi pokazali su da je moguće postići značajno zakretanje platforme u realnim temperaturnim gradijentima, što pasivni traker čini konkurentnim klasičnim rješenjima barem za određene scenarije. Iako je riječ o demonstratoru na razini ranog tehnološkog razvoja, koncept je jasno pokazao da se „inteligentno“ ponašanje može dobiti kroz dizajn metastrukture, a ne kroz dodavanje elektronike.

Basaltna vlakna i lunarni regolit: gradnja iz lokalnih resursa

Jedan od najzanimljivijih aspekata projekta jest njegova povezanost s istraživanjima o korištenju lokalnih resursa na Mjesecu. Basaltna vlakna, koja čine okosnicu mnogih razvijenih metakompozita, mogu se potencijalno dobivati iz lunarnog regolita, odnosno sitnozrnate praškaste stijenske mase koja prekriva površinu Mjeseca. ESA i partnerske institucije već su provodile studije o ekstrakciji i preradi takvih vlakana za potrebe gradnje lunarnih nastambi i infrastrukturnih elemenata.

Ako se bazaltna vlakna mogu proizvesti na samom Mjesecu, a potom kombinirati s prikladnim matricama u geopolimernim ili drugim kompozitnim materijalima, otvara se mogućnost potpuno lokalne proizvodnje 4D printanih struktura. Robotičke ruke mogle bi koristiti lunarni regolit kao sirovinu, stvarati cijevne metastrukture i slagati ih u nosive, ali i funkcionalno aktivne elemente poput pasivnih solarnih trakerâ ili adaptivnih nosača komunikacijskih antena.

Takav pristup savršeno se uklapa u načela kružnog gospodarstva u svemirskom kontekstu: umjesto da se s Zemlje dovoze složeni mehanički sklopovi, na Mjesecu bi se koristila lokalna stijena, a nastale bi se strukture mogle tijekom vijeka trajanja više puta prilagođavati ili reciklirati. Nakon što završe svoj primarni zadatak, iste cijevi i blokovi mogli bi se ugraditi u zaštitne barijere, skladišne module ili druge komponente buduće lunarne baze.

Pritom 4D ispis donosi dodatnu prednost: isti materijal može u različitim fazama misije obavljati različite funkcije. U početku bi metastrukture bile optimirane za razmještanje i orijentaciju, a kasnije bi se mogao više cijeniti njihov doprinos mehaničkoj krutosti ili zaštiti od zračenja. Promjenom uvjeta okoline mijenja se i dominantna uloga koju odigrava ugrađeno ponašanje materijala.

Održivost kroz pojednostavljenje svemirskih sustava

U središtu cijele priče nalazi se ideja da se održivost u svemiru često postiže radikalnim pojednostavljenjem. Svaki motor, senzor ili sklop elektronike zahtijeva energiju, redundantnost i dodatne mase, a svaka mehanička veza je potencijalna točka otkaza. Ako se funkcija poput orijentacije prema Suncu može ostvariti tako da ju preuzme sama struktura, svemirski sustav postaje lakši, manje složen i autonomniji.

4D printane metastrukture uklapaju se u tu logiku: jednom kada su proizvedene i ugrađene, ne trebaju dodatne ulaze osim prirodnih promjena u okolini. U svemiru to znači temperaturne cikluse između sunčane i zasjenjene strane orbite ili planetarne rotacije, dok na planetarnim površinama dolaze u obzir i sezonske promjene. Materijal se ponaša poput „pasivnog računala“ koje, na temelju promjene temperature, „izračunava“ koliko i u kojem smjeru se treba pomaknuti.

Takav pristup odgovara i širem strateškom cilju ESA-e da u svojim budućim misijama poveća stupanj autonomije sustava i smanji potrebu za stalnom intervencijom sa Zemlje. U uvjetima kašnjenja signala i ograničenog protoka podataka, svaki mehanizam koji sam „zna“ što treba činiti, bez aktivne kontrole, donosi izravnu operativnu prednost.

Istodobno, jednostavnije strukture znače i jednostavnije održavanje. Ako se dogodi oštećenje, zamjena jednog modula metastrukture može biti brža i jeftinija od popravka cijelog motoriziranog mehanizma. Modularni pristup, kakav predviđa patentirani koncept, omogućuje postupno nadograđivanje ili prilagođavanje sustava ovisno o potrebama misije.

Od Mjeseca do Zemlje: primjene u energetici i graditeljstvu

Iako su prvi demonstratori zamišljeni za svemir, istraživači paralelno razvijaju i zemaljske verzije tehnologije. Umjesto bazaltnih vlakana povezanih s lunarnim regolitem, koriste se lokalna prirodna vlakna – primjerice lan, konoplja ili druge biljne sirovine – koja se kombiniraju s prikladnim matricama kako bi nastali biokompoziti s programiranim ponašanjem. Na taj način koncept „svemirskih“ metastruktura dobiva vrlo konkretne primjene u kontekstu zelene tranzicije na Zemlji.

Pasivni solarni trakeri mogli bi se koristiti u malim i srednjim solarnim instalacijama gdje je dobit od praćenja Sunca značajna, ali je složena mehanika preskupa. Za razliku od masivnih industrijskih sustava, ovdje bi jednostavni 4D printani moduli omogućili osnovno praćenje položaja Sunca bez potrebe za stalnim održavanjem, što je osobito privlačno za udaljena ili teško dostupna područja.

Još jedno potencijalno područje primjene su fasadni elementi i sjenila koja mijenjaju oblik ovisno o temperaturi ili intenzitetu zračenja. Takve strukture mogle bi zimi propuštati više sunčeve topline, a ljeti se „zatvarati“ kako bi smanjile pregrijavanje prostora, sve bez senzora i motora. 4D printani biokompoziti time postaju alat za pasivnu regulaciju toplinskih tokova u zgradama i smanjenje potrošnje energije za grijanje i hlađenje.

U infrastrukturnim projektima moguće su i adaptivne konstrukcije koje prigušuju vibracije ili se prilagođavaju opterećenjima, primjerice u mostovima, tornjevima ili nosačima opreme. Iako su takve primjene još uvijek u fazi konceptualnih studija, zajednička je ideja da se umjesto složenih aktivnih sustava oslanjamo na „pametno“ dizajnirane materijale.

Industrijski partneri i zajednički laboratorij za skaliranje tehnologije

Kako bi se tehnologija pomaknula s laboratorijskog stola prema industrijskoj primjeni, Université de Bretagne Sud uspostavio je zajednički laboratorij s tvrtkom Coriolis Composites, jednim od vodećih proizvođača robotičkih ćelija i softvera za automatizirano polaganje kompozitnih vlakana. U tom zajedničkom laboratoriju, nazvanom CompoMorph, istražuje se kako principe rotoprintanja i 4D ispisa prenijeti na opremu i procese koji već danas rade u industrijskim pogonima.

Robotizirane ruke, koje Coriolis Composites razvija za klasične kompozitne strukture u zrakoplovstvu, energetici i automobilskom sektoru, dobivaju novu ulogu kao platforme za proizvodnju metastruktura s promjenjivim oblikom. Umjesto da samo polažu slojeve radi postizanja željene čvrstoće i krutosti, sada moraju precizno pratiti i „putanju ponašanja“ koju su definirali istraživači – geografiju vlakana koja određuje kako će se struktura mijenjati kroz vrijeme.

Suradnja s industrijom uključuje i definiranje budućih specifikacija za svemirske misije. Tvrtke iz svemirskog sektora zainteresirane su za sustave koji bi mogli smanjiti masu i složenost svemirskih antena, panela ili struktura koje se razmještaju nakon lansiranja. Pasivni aktuatori na bazi 4D printanih kompozita nude mogućnost da se dio tih funkcija prebaci iz domene mehanike i elektronike u domenu naprednih materijala.

Takav prijenos znanja iz istraživačkih laboratorija u industrijski kontekst ključan je i za daljnje financiranje razvoja. Projekt pasivnog solarnog trakera nastavio je živjeti kroz nove prijedloge prema ESA-inom Discovery programu, ali i kroz nacionalne i europske projekte usmjerene na 4D ispis i održive kompozite.

Nova istraživanja i sljedeći koraci u razvoju 4D kompozita

Rad na bioinspiriranim tubularnim i helikoidalnim metakompozitima nije završen objavom jednog znanstvenog rada ili odobrenjem patenta. Naprotiv, upravo su ti rezultati otvorili nova pitanja i potaknuli seriju daljnjih studija. Jedna od njih usmjerena je na razvoj održivih 4D printanih biokompozita koji kombiniraju prirodna vlakna i biobazirane matrice, pri čemu je naglasak na programiranoj promjeni oblika uz minimalan ugljični otisak.

Drugo istraživačko područje odnosi se na skaliranje tehnologije i pouzdanost u realnim uvjetima. Potrebno je detaljno ispitati kako dugotrajno cikličko zagrijavanje i hlađenje utječe na svojstva metastruktura, koliko je puta moguće „aktivirati“ deformaciju bez zamjetnog umora materijala te kako lokalna oštećenja utječu na globalno ponašanje konstrukcije. Ta su pitanja presudna prije nego što se pasivni solarni trakeri ili slični sustavi počnu projektirati za misije s visokim stupnjem rizika.

Treća linija istraživanja bavi se integracijom ovakvih struktura u šire inženjerske sustave. Čak i kada se oslonimo na pasivnu promjenu oblika, potrebno je razumjeti kako će se 4D metastruktura ponašati u kombinaciji s klasičnim nosačima, panelima, spremnicima ili instrumentima. Simulacijski modeli moraju obuhvatiti i termalno i mehaničko ponašanje, ali i interakciju s okolinom – od vakuuma i zračenja do polja opterećenja pri lansiranju.

I konačno, istraživački timovi i dalje rade na širenju dizajnerskog prostora: traže se novi uzorci polaganja vlakana, nove kombinacije materijala i nove geometrije cijevnih i pločastih struktura koje bi mogle odgovoriti na specifične izazove misija. Svaki novi uzorak ujedno je i nova „riječ“ u jeziku kojim inženjeri komuniciraju s materijalom, definirajući što on treba učiniti kada se uvjeti promijene.

Otvorena inovacija kao motor razvoja svemirskih tehnologija

Ideja pasivnog solarnog trakera i 4D printanih metastruktura za programabilnu promjenu oblika izvorno je prijavljena kroz ESA-inu platformu za otvorene svemirske inovacije, Open Space Innovation Platform (OSIP). Ovaj mehanizam omogućuje istraživačima iz akademije i industrije da predlože nekonvencionalne koncepte koje tradicionalni programi možda ne bi odmah prepoznali.

Nakon početne selekcije, projekt je financiran kroz Discovery element ESA-inih Osnovnih aktivnosti, koji služi kao poligon za rizičnija, ali potencijalno disruptivna istraživanja. Upravo je u tom okviru tim dobio slobodu eksperimentiranja s kombinacijom napredne kompozitne tehnologije, inspiracije iz biologije i koncepta 4D ispisa. Rezultat je primjer kako se relativno mala studija može pretvoriti u patent, seriju znanstvenih radova i cijeli novi smjer istraživanja.

Iako će proći još vremena prije nego što se pasivni solarni trakeri na bazi 4D metastruktura nađu na Mjesecu ili u komercijalnim solarnim poljima na Zemlji, današnji rezultati već sada mijenjaju način na koji razmišljamo o strukturama. Umjesto da materijale vidimo kao pasivne „nosače“, sve češće ih doživljavamo kao aktivne sudionike u radu sustava – od razmještanja opreme u svemiru do upravljanja energijom u našim gradovima.