Faszination Technik Selbstentfaltender Origami-Solar-Würfel versorgt Satellit mit Strom

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Technische Hochschule Deggendorf

FAST LTA GmbH

In unserer Rubrik „Faszination Technik“ stellen wir beeindruckende Projekte aus Forschung und Entwicklung vor. Heute: ein selbstfaltendes Solarpanel für Satelliten.

Weltraumkomponenten müssen extremen Bedingungen standhalten: Temperaturschwankungen von -90 °C bis +120 °C, Vakuum und mechanische Belastungen beim Raketenstart. Hinzu kommt die Anforderung, dass sich Komponenten nach dem Start selbst entfalten müssen – eine Funktion, die präzises Materialdesign erfordert. Mechanische Systeme wie Aktoren oder Federn wären schwer und komplex. Daher braucht es einfache, aber zuverlässige Ansätze.

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Doch wie schafft man Solarpanels für Satelliten, die leicht, robust und selbstentfaltend sind? Am Technologie Campus Hutthurm wurde mit dem „Power Cube“ diese Kombination realisiert. Hierbei kombiniert ein Verfahren verschiedene Matrixmaterialien und vereint damit Leichtigkeit, Stabilität und Effizienz. Ein Vorteil des Power Cubes liegt in seiner Kompaktheit. Während herkömmliche Solarpanels für 100 Watt Leistung 12 U Volumen benötigen (1 U entspricht 10 × 10 × 10 cm), kommt der Power Cube mit nur 3 U aus. Dies reduziert die Startkosten um 67 Prozent – eine Ersparnis von 670.000 US-Dollar pro Mission. Die Materialkosten sinken um über 97 Prozent, was ihn langfristig zu einer der wirtschaftlichsten Lösungen macht.

Origami-inspirierte CFK-Struktur als Vorbild

Der Power Cube basiert auf einer Origami-inspirierten CFK-Struktur. Während des Transports kompakt gefaltet, entfaltet er sich im Orbit durch gespeicherte Dehnungsenergie. Die selbstentfaltende Funktion wird durch die Kombination steifer CFK-Bereiche mit Epoxid-Matrix und flexiblen Bereichen aus Silikonkautschuk ermöglicht. Prof. Sebastian Kölbl betont: „Der Power Cube zeigt, wie unsere Expertise in Kunststofftechnik und Leichtbau in praxisrelevante Innovationen mündet. Projekte wie dieses legen die Basis für langfristige Composite-Forschung und stärken Wissenschaft im ländlichen Raum durch enge Zusammenarbeit mit Unternehmen und hochwertige Arbeitsplätze.“

Zusammengefaltet ist der Würfel 10 cm³ groß, entfaltet erreicht das Solarpanel über 500 cm² und liefert 100 Watt Leistung. CFK kombiniert Leichtigkeit, Festigkeit und thermische Stabilität. Das Epoxidharz verleiht den tragenden Bereichen Steifigkeit, während Silikonkautschuk die Flexibilität der Faltbereiche gewährleistet und Energie speichert. Ein kritischer Punkt war die Haftung zwischen den Materialien. Um die Stabilität unter extremen Bedingungen zu gewährleisten, war eine präzise Verteilung der Matrixmaterialien entscheidend.

Multimatrix-Verfahren reduziert Herstellungszeit auf zwei Tage

Das Herzstück des Power Cubes ist ein neuartiges Multimatrix-Fertigungsverfahren. Unterschiedliche Matrixmaterialien werden in einem einzigen Produktionsprozess nacheinander auf das CFK-Gewebe aufgetragen. Dies ermöglicht eine präzise Steuerung der Materialeigenschaften und eine nahtlose Verbindung zwischen flexiblen und steifen Bereichen. Fortschrittliche Robotik und Sensorik garantieren dabei höchste Präzision.

Ursprünglich dauerte die Herstellung eines Bauteils 18 Tage, doch die Optimierung des Verfahrens reduzierte dies auf weniger als zwei Tage. Gleichzeitig sanken die Werkzeugkosten, was das Verfahren auch für andere Anwendungen attraktiv macht.

Die Kombination aus Leichtigkeit, Stabilität und Funktionalität eröffnet neue Horizonte. Solarpanelstrukturen sind nur ein Beispiel: In der Automobilindustrie könnten Leichtbaustrukturen mit variabler Steifigkeit neue Anwendungen ermöglichen, ebenso in der Energietechnik, etwa bei Windkraftanlagen oder mobilen Energiesystemen.

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Dieser Beitrag ist ursprünglich auf unserem Partnerportal konstruktionspraxis erschienen.

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