Artist’s concept of a high-performance large space structure comprised of building blocks, in this case a solar array on the lunar surface using modular components.(Image credit: NASA)
In Lebewesen werden die Strukturen aus einfachen, wiederholbaren Mustern aufgebaut. Diese haben oft die Form eines unorganisierten Gitters. Große Strukturen, wie Knochen oder Korallen, entstehen durch wiederholte Wachstumsrunden eines Grundmusters, das sich willkürlich aufbaut.
Trotz dieser scheinbaren Unordnung können die entstehenden Strukturen eine Vielzahl von Formen annehmen und überraschende Stärken, Vielseitigkeit und andere nützliche Eigenschaften aufweisen. Am wichtigsten ist, dass die resultierende Struktur oft Eigenschaften hat, die die zugrunde liegende Gittereinheit nicht besitzt. So sind zum Beispiel einzelne Knochenzellen oder Korallenpolypskelette nicht sehr stark, aber wenn sie zusammenarbeiten, können sie riesige Tiere oder gigantische Unterwasserkolonien tragen.
Ingenieure haben sich von der Natur inspirieren lassen und versucht, diese Flexibilität mit von Menschen entworfenen Materialien zu wiederholen. Das Ziel ist es, nützliche Materialien zu entwickeln, die aus dem wiederholten Wachstum eines zugrunde liegenden Musters entstehen, wobei die neue Struktur Eigenschaften erhält, die das zugrunde liegende Muster allein nicht hat. Ein darüber hinausgehender Fortschritt ist die Erforschung von Metamaterialien, d. h. Strukturen, die ihre Form oder ihre Eigenschaften durch die Einwirkung einer einfachen äußeren Kraft, z. B. eines elektrischen Feldes oder Drucks, verändern können.
Diese Art von Materialien ist besonders interessant für Anwendungen im Weltraum. Wir würden gerne eine Nutzlast aus einfachen Materialien starten und diese Materialien dann im Weltraum selbst zusammensetzen – und wieder zusammensetzen – lassen. Auf diese Weise könnten wir die Herausforderungen vermeiden, die mit dem Testen und der Startfestigkeit großer, komplexer Strukturen wie Habitate und Teleskope verbunden sind, und wir hätten die Flexibilität, diese Strukturen zu ändern, wenn sich die Anforderungen der Mission ändern.
Totimorphe Anordnung aus neutral-stabilen Einheitszellen. (Bildnachweis: ESA Advanced Concepts Team)
Eine vielversprechende Art von Metamaterial ist als totimorphes Gitter bekannt. Die Grundkomponente dieses Gitters ist eine dreieckige Struktur. Auf einer Seite befindet sich ein fester Balken mit einem Kugelgelenk in der Mitte. Ein Arm ist an diesem Kugelgelenk befestigt, und das andere Ende des Arms ist mit zwei Federn an den Enden des festen Trägers befestigt. Wenn viele dieser Formen aneinander befestigt werden, kann sich die resultierende Struktur in eine Vielzahl von Formen und Strukturen verwandeln, und das alles mit sehr geringem Aufwand. Dies verleiht dem totimorphen Gitter eine unglaubliche Flexibilität.
In einer kürzlich veröffentlichten Arbeit haben Wissenschaftler des Advanced Concepts Team der Europäischen Weltraumorganisation einen großen Schritt gemacht, um totimorphe Gitter von einer hypothetischen Idee zu praktischen Anwendungen zu entwickeln. Eine wichtige Frage bei diesen Gittern war, wie man eine große Struktur in eine andere Form umwandeln kann, ohne dass sich das Gitter verheddert, und wie man diese Umwandlung so effizient wie möglich bewerkstelligen kann.
Die Forscher entwickelten eine Computersimulation von totimorphen Gittern und fanden heraus, wie man die Umwandlung einer Form in eine andere optimieren kann.
Sie stellten ihre neue Technik anhand von zwei Beispielen vor. Im ersten Beispiel entwarfen sie eine einfache Habitatstruktur, die ihre Form und Steifigkeit verändern kann. Künftige Weltraumforscher könnten die gleiche Art von Material einsetzen, um eine Vielzahl von Lebensraummodulen zu bauen. Diese Module würden ihre Form beibehalten, bis sie umprogrammiert werden, um ihre Form zu ändern und andere Anforderungen zu erfüllen.
Im zweiten Beispiel haben die Forscher ein flexibles Weltraumteleskop entworfen. Mit totimorphen Gittern könnte das Teleskop seine Brennweite ändern, indem es die Krümmung seiner Linse anpasst. Dies würde den Start eines einzigen Mehrzweckteleskops ermöglichen, das sich anpassen und umrüsten ließe, um die optimalen Beobachtungsstrategien für verschiedene Ziele zu bieten.
Diese Arbeit ist jedoch noch vorläufig. Totimorphe Gitter sind immer noch hypothetisch; wir haben keine dieser Materialien, die man in den Händen halten könnte, geschweige denn in Weltraumteleskope einbauen. Aber diese Forschung ist für den Vorstoß der Menschheit in den Weltraum von entscheidender Bedeutung. Die Kosten und die Schwierigkeit, Materialien in den Weltraum zu bringen, bedeuten, dass wir flexible, anpassungsfähige Strukturen brauchen, die billig zu starten und einfach zu installieren sind.
Indem wir uns von der Natur inspirieren lassen und die überraschenden Eigenschaften von Metamaterialien erforschen, kommen wir unseren futuristischen Weltraumzielen vielleicht näher.
