3D-gedruckte selbstveränderliche Antennen: Neue Wege für flexible Funkanwendungen

Forschende am Johns Hopkins Applied Physics Laboratory nutzen modernste 3D-Druckverfahren und Formgedächtnislegierungen um Antennen zu entwickeln die sich temperaturgesteuert verformen. Diese Technologie eröffnet neue Möglichkeiten für flexible Funkanwendungen in Militär Forschung und Industrie.

Die Form einer Antenne beeinflusst ihre Betriebsparameter maßgeblich, und bisher waren diese nach der Fertigung unveränderlich. Die neue Antenne passt sich hingegen dynamisch an, um eine größere Bandbreite an Funkfrequenzen zu unterstützen. Dies könnte mehrere starre Antennen ersetzen und die Flexibilität im Frequenzmanagement erheblich erhöhen. Die Idee stammt von der Ingenieurin Jennifer Hollenbeck, inspiriert durch Formwandlungen in der Science-Fiction-Serie The Expanse.

„Ich habe in meiner beruflichen Laufbahn mit Antennen gearbeitet und mit den Beschränkungen zu kämpfen, die sich aus ihrer festen Form ergeben“, sagte sie. „Ich wusste, dass APL über das Fachwissen verfügt, um etwas anderes zu schaffen.

Im Fokus der Entwicklung stand die Nutzung von Nitinol, einer Legierung aus Nickel und Titan, die ihre Form je nach Temperatur wechseln kann. Die Herausforderung bestand darin, diese Legierung präzise in komplexen Strukturen zu drucken, da sie während des Prozesses auf die erzeugte Hitze reagiert.

„Es stellte sich heraus, dass es ein wirklich kompliziertes Design war, und es funktionierte nicht so gut, wie ich es mir gewünscht hätte“, sagte Hollenbeck.

Durch umfangreiche Experimente und Modifikationen des Nickel-Titan-Verhältnisses gelang es schließlich, eine flache Spiralantenne zu schaffen, die sich bei Erwärmung zu einer konischen Form entfaltet. Ein neu entwickelter Stromleiter sorgte dafür, dass die Antenne auf die erforderliche Temperatur gebracht werden konnte, ohne die Funkleistung zu beeinträchtigen.

„Wir haben viel Erfahrung mit der Optimierung von Verarbeitungsparametern und Konstruktionen für Legierungen, aber das hier ging einen Schritt weiter“, erklärt Samuel Gonzalez, Ingenieur für additive Fertigung. „Es gibt nicht viele Leute, wenn überhaupt, die dieses Material drucken, also gibt es kein Rezept, wie man es verarbeiten kann.“

„Wir haben ein paar Mal Schrapnelle im Drucker erzeugt, weil die Antenne beim Drucken aufgrund der Hitze versucht, ihre Form zu verändern“, ergänzte Kollegin Mary Daffron. „Sie will sich ablösen.“

Die Technologie hat das Potenzial, kompakte und anpassungsfähige Kommunikationssysteme zu ermöglichen. Das APL strebt nun Patente für die Antenne und die zugrundeliegenden Prozesse an.

„Die von diesem APL-Team demonstrierte Fähigkeit zur Formveränderung von Antennen wird für viele Anwendungen und Missionen, die HF-Anpassungsfähigkeit in einer Konfiguration mit geringer Größe und geringem Gewicht erfordern, eine entscheidende Rolle spielen“, sagte APL-Chefingenieur Conrad Grant. „Dies ist ein weiteres überzeugendes Beispiel für die Innovation, die am Laboratorium durch motivierte, hochkompetente und multidisziplinäre Teams entsteht.