Lustra aluminiowe drukowane w 3D: Przełom w technologii CubeSat

Naukowcy z Wielkiej Brytanii opracowali innowacyjne, lekkie i elastyczne lustra aluminiowe do teleskopów CubeSat, wykorzystując technologię druku 3D. Celem tego przełomowego podejścia jest znaczące zmniejszenie masy głównych luster o około 60% w porównaniu do tradycyjnych konstrukcji, co otwiera nowe możliwości dla miniaturowych misji kosmicznych.

Zaprojektowane lustro ma kształt pierścieniowy o zewnętrznej średnicy 84 mm i wewnętrznej 32 mm. Kluczowym elementem jego konstrukcji jest wewnętrzna struktura typu "split-p internal lattice", przypominająca plaster miodu. Ta geometryczna innowacja, niemożliwa do osiągnięcia tradycyjnymi metodami obróbki, znacząco zwiększa wytrzymałość przy jednoczesnym drastycznym obniżeniu wagi. Analiza metodą elementów skończonych (FEA) przewidziała redukcję masy o około 56%, co jest bliskie docelowemu 60%.

Proces produkcyjny opierał się na technologii laserowego spiekania proszków metali (laser powder bed fusion – L-PBF) z wykorzystaniem stopu aluminium AlSi10Mg. Następnie zastosowano obróbkę izostatyczną na gorąco (HIP) w celu minimalizacji porowatości wewnętrznej oraz precyzyjną obróbkę diamentową (single-point diamond turning) do uzyskania idealnie gładkiej, refleksyjnej powierzchni. Badania z wykorzystaniem tomografii komputerowej z użyciem promieni rentgenowskich (X-ray Computed Tomography) ujawniły obecność drobnych porów, szczególnie na obwodzie, gdzie zmienia się ścieżka lasera.

Pomiary chropowatości powierzchni wykazały, że dla wszystkich próbek wartość ta była niższa niż 8 nm. Próbki poddane obróbce HIP wykazywały nieznacznie wyższą chropowatość niż te po obróbce diamentowej. Proces HIP skutecznie zmniejszył porowatość wewnętrzną i zwiększył wytrzymałość, ale jednocześnie spowodował wzrost wartości Total Integrated Scatter (TIS) z powodu zwiększonej chropowatości powierzchni. Dalsze prace badawcze obejmować będą nałożenie powłoki chromowej w celu dalszej poprawy jakości powierzchni oraz testy elastyczności termicznej, aby ocenić wydajność lustra w warunkach kosmicznych.

Rosnące zapotrzebowanie na opłacalne, wytrzymałe i lekkie lustra dla rozwijającej się technologii CubeSat czyni te badania kluczowym postępem w dziedzinie optyki kosmicznej. Technologia druku 3D, a w szczególności metoda laserowego spiekania proszków metali (L-PBF), rewolucjonizuje produkcję komponentów dla przemysłu kosmicznego, umożliwiając tworzenie skomplikowanych geometrii, które przekładają się na znaczną redukcję masy i optymalizację funkcjonalności. Dla satelitów typu CubeSat, gdzie każdy gram ma znaczenie, zastosowanie takich lekkich luster jest niezwykle istotne, pozwalając na zwiększenie udźwigu, poprawę parametrów optycznych lub zmniejszenie ogólnych wymiarów misji.

W środowisku kosmicznym, charakteryzującym się ekstremalnymi temperaturami, promieniowaniem i próżnią, kluczowe jest stosowanie materiałów i konstrukcji odpornych na te warunki. Innowacyjne podejście do produkcji luster, łączące lekkość z wytrzymałością, stanowi odpowiedź na te wyzwania, wspierając rozwój bardziej zaawansowanych instrumentów obserwacyjnych. Rozwój CubeSatów w ostatnich latach jest dynamiczny, a lżejsze komponenty, takie jak nowo opracowane lustra aluminiowe, są kluczowe dla dalszego postępu, umożliwiając tworzenie bardziej zaawansowanych instrumentów naukowych i obserwacyjnych.