Используя передовые технологии аддитивного производства и сплавы с эффектом памяти формы, исследователи из Лаборатории прикладной физики Университета Джонса Хопкинса (APL) в Лореле, штат Мэриленд, создали антенну, которая может менять свою форму в зависимости от температуры.

Эта технология, описанная в интернет-публикации в журнале ACS Applied Engineering Materials и представленная на обложке предстоящего печатного выпуска, обладает преобразовательным потенциалом в широком спектре военных, научных и коммерческих приложений.

Форма передней части антенны диктует многие из ее рабочих параметров. После изготовления эти характеристики фиксируются. Антенна, изменяющая форму, позволит осуществлять связь в более широком спектре радиочастотных (РЧ) диапазонов, открывая новые сферы оперативной гибкости.

Среди возможностей — одна антенна с изменяемой формой, способная выполнять работу нескольких антенн фиксированной формы, динамически адаптироваться к доступности спектра и изменять ширину луча для переключения между связью на короткие и большие расстояния.

Новая антенна, созданная по мотивам научно-фантастических технологий, является результатом творческого междисциплинарного сотрудничества в рамках APL.

Инженер-электрик Дженнифер Холленбек сказала, что она позаимствовала эту идею из сериала «Пространство», где инопланетные технологии являются органическими и меняют форму. «Я провела свою карьеру, работая с антеннами и борясь с ограничениями, налагаемыми их фиксированной формой», — сказала она. «Я знала, что у APL есть опыт, чтобы создать что-то другое».

В 2019 году Холленбек обратился к Стивену Шторку, ныне главному научному сотруднику по аддитивному производству в отделе исследований и разработок лаборатории, который в то время руководил независимым научно-исследовательским проектом по созданию перспективной методологии аддитивного производства сплавов с эффектом памяти формы.

Эти уникальные материалы деформируются при более низких температурах, но возвращаются к «запомненной» форме при нагревании и используются в самых разных областях: от медицинских целей, таких как ортодонтические дуги, сосудистые стенты и костные имплантаты, до приводов для поверхностей управления в космических кораблях.

Инженер-механик и материаловед Энди Леннон использовал нитинол — сплав никеля и титана с эффектом памяти формы — для создания катушек, которые могли проходить через пищевод человека, помогая проводить визуализацию сердца.

Когда Леннон и другие работали над приложениями для нитинола, возникло желание печатать сложные формы с его помощью на 3D-принтере. Но это представляло собой проблему: нитинол и другие сплавы с эффектом памяти формы обычно требуют обширной механической обработки — известной как холодная обработка — для достижения эффекта памяти формы, и в результате они обычно доступны только в виде проволоки или тонких листов.

«Выполнение чрезмерного количества холодной обработки сведет на нет весь смысл», — сказал Леннон. «Если вы возьмете эту сложную форму и пропустите ее через матрицу, чтобы растянуть, вы снова получите проволоку».

Первоначально команда APL проводила исследования для решения фундаментальных проблем, связанных с масштабируемым аддитивным производством компонентов из нитинола, а затем применила эти методы для создания структур, изменяющих форму , которые можно было бы использовать в космических приложениях.

После обширных экспериментов по применению антенны команда изменила соотношение никеля и титана, но первая попытка создать изменяющую форму рупорную антенну с использованием 3D-печатного нитинола не увенчалась успехом. Хотя антенна технически расширялась, сжималась и меняла свою частоту, она также была жесткой и ее было трудно расширять.

«Это оказалась действительно сложная конструкция, и она не работала так хорошо, как мне бы хотелось», — сказал Холленбек.

Не смутившись, Холленбек задумал новую конструкцию антенны. Команда Леннона смогла напечатать нитинол на 3D-принтере с так называемой двусторонней памятью формы, при которой сплав можно нагревать и охлаждать, чтобы чередовать две запомненные формы.

При критической поддержке проектирования и прототипирования со стороны Кайла Сиберта, инженера-электрика из сектора проецирования силы APL, команда Холленбека разработала антенну, которая в холодном состоянии имела форму плоского спирального диска, но при нагревании становилась конической спиралью.

Нагрев спирали оказался сложной задачей. Команде нужно было определить, как нагреть металл антенны достаточно, чтобы она изменила форму, но не нарушив свойства РЧ или не выжигая структуру. Чтобы решить эту проблему, команде под руководством инженера-конструктора РЧ и СВЧ Майкла Шербурна пришлось изобрести новую форму линии электропередачи.

«Для пикового нагрева линия электропередачи должна выдерживать большой ток», — сказал Шерберн. «Нам пришлось вернуться к основам, чтобы это заработало».

Последним элементом головоломки было решение вопроса, как печатать антенну на 3D-принтере в последовательной, повторяемой манере. Модифицированный нитинол Леннона с его более высокой концентрацией никеля усложнял масштабную печать.

«У нас большой опыт оптимизации параметров обработки и конструкций для сплавов, но это был шаг вперед», — пояснил инженер по аддитивному производству Сэмюэль Гонсалес. «Не так много людей, если вообще кто-то, печатают этот материал, поэтому нет рецепта, как его обрабатывать».

«Мы несколько раз делали шрапнель в принтере, потому что антенна пытается изменить форму, когда вы ее печатаете, из-за тепла», — добавила коллега Мэри Даффрон. «Она хочет развалиться».

Обычно команда может обработать сплав менее чем за четыре дня, но Даффрон и Гонсалес заявили, что на изготовление этого конкретного материала ушло от двух до четырех недель.

Теперь, когда они оптимизировали параметры обработки, они уже ищут способы развить свой первоначальный успех.

«Мы хотим оптимизировать параметры для работы на нескольких различных машинах, чтобы сделать это более широко применимым, и мы знаем, что нам нужно будет оптимизировать для различных вариаций материала, которые могут срабатывать при разных температурах», — сказал Даффрон.

Упорный труд, проделанный командами APL, привел к созданию радикально инновационной технологии, которая может найти широкое применение, поддерживая специальных операторов на местах, мобильные телекоммуникационные сети и даже космические миссии к далеким небесным телам.

APL добивается полного патента от имени команды на технологию адаптивной к форме антенны. Лаборатория также предварительно решила добиваться патентов на новую линию электропередачи для нагрева спирали, метод управления антенной и метод и процесс использования сплавов с эффектом памяти формы для создания фазированной антенной решетки.

«Возможность изменения формы антенны, продемонстрированная этой командой APL, станет революционным инструментом для многих приложений и миссий, требующих адаптивности радиочастот в конфигурации малого размера и веса», — сказал главный инженер APL Конрад Грант.

«Это еще один яркий пример инноваций, которые происходят в Лаборатории благодаря мотивированным, высококвалифицированным, многопрофильным командам».