Адаптивна 3D-друкована антена з нітинолу відкриває можливості для військових і космічних досліджень

Антени необхідні для бездротового зв’язку, навігації, радарів, радіозв’язку та науки. Їх основна функція - приймати або передавати електромагнітні хвилі. Досі антени були жорсткими та негнучкими, що скоро зміниться завдяки проєкту дослідників з Лабораторії прикладної фізики Джона Гопкінса (APL) у Балтіморі. Проєкт розпочався у 2019 році, і метою було розробити 3D-технології та сплави з пам’яттю форми для антен, які можуть деформуватися незалежно від температури. Ці надруковані на 3D антени можуть зробити внесок у майбутнє військових і космічних досліджень.

Інноваційна 3D-друкована антена розроблена для динамічної адаптації до ширшого діапазону радіочастот і замінює традиційні антени завдяки своїй більшій гнучкості. Ідея проєкту виникла у Дженніфер Холленбек, яку надихнув науково-фантастичний серіал The Expanse. У цій серії інопланетяни використовують органічні технології, щоб змінити форму. Вона пояснює: «Я провела свою кар’єру, працюючи з антенами та борючись із обмеженнями, які накладає їх фіксована форма. Я знала, що APL має можливості, щоб створити щось інше».

Антена була надрукована на 3D-принтері з нікель-титанового сплаву, також відомого як нітинол, одного з найпопулярніших сплавів з пам’яттю форми. Це означає, що сплав може відновлювати свою початкову форму після деформації при нагріванні до певної температури, що ідеально підходить для застосувань, де матеріали повинні адаптуватися до мінливих умов. Однак 3D-друк викликав певні труднощі, наприклад друк сплаву в складних структурах, оскільки він деформувався під час виготовлення та реагував на нагрівання. Холленбек підкреслила: «Це виявилося справді складним дизайном, і він працював не так добре, як я хотіла би».

Проблема була вирішена за допомогою кількох експериментів і оптимізації, що призвело до створення першої планарної спіральної антени, яка при нагріванні приймає конічну форму. Крім того, був використаний новий провідник, щоб привести антену до необхідної температури без шкоди для її роботи. «Ми маємо великий досвід оптимізації параметрів обробки та конструкцій для сплавів, але це був крок далі», — пояснює Семюель Гонзалес, інженер з адитивного виробництва. «Небагато людей друкує цей матеріал, тому немає рецепту, як його обробляти».

«Ми кілька разів робили шрапнель у принтері, тому що антена намагається змінити форму під час друку через спеку», — сказала колега Мері Дафрон. «Він хоче відшаруватися».

У майбутньому гнучка антена повинна запропонувати нову можливість для військових операцій, оскільки вона забезпечує динамічний зв’язок у полі. Антена також може охоплювати багато мобільних мереж у сфері телекомунікацій та промисловості завдяки своїй адаптивності, особливо тому, що перемикання між зв’язком малого радіусу дії та зв’язком далекого радіусу дії може бути краще адаптованим.