Eine der wichtigsten Komponenten von Satelliten, die die Telekommunikation ermöglichen, ist der Wellenleiter, ein Metallrohr zur Führung von Radiowellen. Es ist auch eine der schwersten Nutzlasten, die Satelliten in die Umlaufbahn befördern. Wie bei jeder Raumfahrttechnologie bedeutet Gewichtsreduzierung, dass die Menge an teurem und treibhausgasproduzierendem Treibstoff, die für den Start einer Rakete benötigt wird, reduziert wird oder dass die Anzahl der Geräte erhöht wird, die mit derselben Rakete ins All befördert werden.
Forscher der Drexel University und der University of British Columbia versuchen, die Belastung zu verringern, indem sie einen Wellenleiter entwickeln und testen, der aus 3D-gedruckten Polymeren besteht, die mit einem leitfähigen Nanomaterial namens MXene beschichtet sind.
In ihrem kürzlich in der Zeitschrift veröffentlichten Artikel Materialien heuteberichtete die Gruppe über das Potenzial der Verwendung von MXene-Beschichtungen, um leichten, nichtleitenden Komponenten elektrische Leitfähigkeit zu verleihen – eine Eigenschaft, die bei der additiven Fertigung unter Verwendung von Polymermaterialien wie Kunststoffen geopfert wird.
„Bei Raumfahrtanwendungen zählt jedes zusätzliche Gramm Gewicht“, sagte Yury Gogotsi, Ph.D., Distinguished University und Bach-Professor am Drexel College of Engineering, der führend in der MXene-Forschung ist. „MXene-Materialien bieten eine der dünnsten möglichen Beschichtungen – ihre Flocken sind nur wenige Atome dick –, die eine leitfähige Oberfläche erzeugen können. Daher sehen wir großes Potenzial in der Verwendung von MXenes zur Behandlung additiv gefertigter Komponenten aus Polymeren mit komplexen Formen.“
Wellenleiter fungieren als Rohrleitungen für Mikrowellen. Sie leiten die Wellen zu den Empfängern und bewahren gleichzeitig die Signalstärke. In einem Mikrowellenherd sorgen Wellenleiter für die Erwärmung der Speisen; Auf einem Satelliten übertragen sie hochwertige Signale zwischen verschiedenen Objekten innerhalb und zwischen Satelliten sowie zwischen Satelliten und der Erde.
Und wie das komplizierte Rohrnetz, das sich durch ein Haus schlängelt, sind Wellenleiter in verschiedenen Formen konzipiert, um in enge Räume zu passen. Sie können von einfachen, geraden Kanälen bis hin zu komplexen Strukturen wie einem Labyrinth reichen.
„Wellenleiter können so einfach sein wie ein gerader, rechteckiger Kanal oder sie können sich in Formen verwandeln, die einem ‚verrückten Strohhalm‘ mit Biegungen und Drehungen ähneln“, sagte Mohammad Zarifi, ein außerordentlicher Professor, der Mikrowellenkommunikation an der University of British Columbia studiert leitete die Elektrotechnik- und Designbemühungen des Teams. „Der eigentliche Game-Changer ist jedoch das Aufkommen additiver Fertigungsmethoden, die komplexere Designs ermöglichen, die mit Metallen möglicherweise schwierig herzustellen sind.“
Während nahezu jedes Hohlrohr als primitiver „Wellenleiter“ verwendet werden könnte, müssen diejenigen, die elektromagnetische Wellen übertragen – beispielsweise in Mikrowellenherden und Telekommunikationsgeräten – aus einem leitfähigen Material bestehen, um die Qualität der Übertragung zu gewährleisten. Diese Wellenleiter bestehen typischerweise aus Metallen wie Silber, Messing und Kupfer. Bei Satelliten ist Aluminium die leichtere Wahl.
Die Forscher aus Drexel, die MXenes wurde erstmals 2011 entdeckt und seitdem ihre Forschung und Entwicklung leiten, schlugen vor, dass die 2D-Nanomaterialien ein guter Kandidat als Beschichtung für die Wellenleiterkomponenten aus Kunststoff wären, basierend auf ihren früheren Entdeckungen, dass MXene elektromagnetische Strahlung blockieren und kanalisieren können.
„Unsere MXene-Beschichtung erwies sich als starker Kandidat für diese Anwendung, da sie hoch leitfähig ist, als elektromagnetische Abschirmung fungiert und einfach durch Eintauchen des Wellenleiters in in Wasser dispergierte MXenes hergestellt werden kann“, sagte Lingyi Bi, ein Ph.D. Kandidat in Gogotsis Gruppe. „Andere Metallic-Lacke wurden getestet, aber aufgrund der Chemikalien, die zur Stabilisierung ihrer metallischen Bestandteile verwendet werden, leidet ihre Leitfähigkeit im Vergleich zu MXenes.“
Darüber hinaus berichteten die Forscher, dass sich die MXene-Beschichtung aufgrund der Kompatibilität zwischen ihren chemischen Strukturen außergewöhnlich gut mit den 3D-gedruckten Nylon-Wellenleitern verbindet. Das Team tauchbeschichtete leichte Führungen unterschiedlicher Form und Größe – gerade, gebogen, gedreht und resonatorförmig –, um die Fähigkeit von MXene zu testen, ihr Inneres gründlich abzudecken.
Die MXene-beschichteten Nylon-Wellenleiter wiegen etwa achtmal weniger als die derzeit verwendeten Standard-Aluminiumwellenleiter, und die MXene-Beschichtung erhöhte das Gesamtgewicht der Komponenten nur um ein Zehntel Gramm.
Am wichtigsten ist, dass die MXene-Wellenleiter fast genauso gut funktionierten wie ihre Gegenstücke aus Aluminium und eine Effizienz von 81 % bei der Leitung elektromagnetischer Wellen zwischen zwei Anschlüssen nach nur einem Tauchbeschichtungszyklus zeigten, was nur einem Rückgang von 2,3 % gegenüber der Leistung von Aluminium entspricht. Die Forscher zeigten, dass sie diese Transmissionsmetrik verbessern konnten, indem sie die Beschichtungsschichten oder die Größe der MXene-Flocken variierten – und so eine maximale Transmissionseffizienz von 95 % erreichten.
Diese Leistung blieb stabil, wenn die Übertragung auf die verschiedenen Frequenzbänder eingestellt wurde, wie sie derzeit in der Satellitenkommunikation im erdnahen Orbit verwendet werden, und eine ausreichend hohe Eingangsleistung für diese Übertragungen vorhanden war. Auch nach drei Monaten verschlechterte sich die Qualität nicht wesentlich, ein Indikator für die Haltbarkeit der Beschichtung.
„Die mit MXene beschichteten Wellenleiter müssen noch umfangreiche Tests durchlaufen und für den Weltraumeinsatz zertifiziert werden, bevor sie auf Satelliten eingesetzt werden können“, sagte Roman Rakhmanov, ein Doktorand bei Drexel, der an der Forschung beteiligt war. „Aber diese Erkenntnis könnte ein wichtiger Schritt in Richtung der nächsten Generation der Weltraumtechnologie sein.“
Gogotsis Team plant, die Erforschung von MXene-Beschichtungen in Anwendungen fortzusetzen, die von einer Alternative zu Metallkomponenten profitieren könnten.
„Diese vielversprechenden Ergebnisse legen nahe, dass mit MXene beschichtete Komponenten ein brauchbarer, leichter Ersatz für im Weltraum verwendete Wellenleiter sein könnten“, sagte Gogotsi. „Wir glauben, dass die Beschichtungen auch für Übertragungen unterschiedlicher Frequenzen optimiert und auf eine Vielzahl von additiv gefertigten oder spritzgegossenen Polymerkomponenten angewendet werden könnten, was auch in einer Reihe terrestrischer Anwendungen eine leichte und kostengünstige Alternative zu Metallen darstellt.“ „
Mehr Informationen:
Omid Niksan et al., MXene leitet Mikrowellen durch 3D-Polymerstrukturen, Materialien heute (2024). DOI: 10.1016/j.mattod.2023.12.013