Rozwój technologii satelitarnych dzięki europejskiej sieci szkoleniowej
Podzespoły oraz układy działające w częstotliwościach radiowych instalowane na pokładzie satelitów są nieodzowne dla realizacji celów misji kosmicznych, komunikacji z urządzeniami naziemnymi oraz systemami telekomunikacyjnymi. Nowoczesne rozwiązania oparte na technologiach kosmicznych oraz wyzwania współczesności wymagające wykorzystania możliwości satelitów wymagają opracowywania nowych technik i narzędzi.
Rozwój talentów w sektorze technologii kosmicznych
Projekt TESLA, finansowany ze środków działania „Maria Skłodowska-Curie”, jest jednym z czołowych przedsięwzięć w tym zakresie, skupiającym się na kluczowych zagadnieniach technicznych związanych z technologią satelitarną przyszłości. „W ramach projektu udało nam się zgromadzić czołowe grupy badawcze ze środowisk akademickich oraz organizacji przemysłowych z całej Europy, zbierając pod jednym dachem ogrom doświadczeń i wiedzy specjalistycznej w zakresie technologii częstotliwości radiowych, projektowania obwodów chronionych przed promieniowaniem elektromagnetycznym, zaawansowanych materiałów i technologii produkcyjnych”, wyjaśnia Jiasheng Hong, koordynator projektu. W ramach sieci szkoleniowej TESLA udało się przeszkolić piętnaścioro naukowców na początku kariery, którzy rozpoczęli jednocześnie studia doktoranckie realizowane przez osiem instytucji akademickich. We współpracy z przedstawicielami instytucji akademickich i przemysłowych badacze pracowali nad rozwojem nowych technologii pozwalających na elastyczne dostosowywanie wyposażenia satelitów, budowę rozległych konstelacji, szybką komunikację, teledetekcję oraz opracowywanie dużych platform satelitarnych. Oprócz typowo technicznych zagadnień, szkolenia dla naukowców były poświęcone kwestiom związanym z przedsiębiorczością, innowacyjnością oraz działaniami informacyjnymi, a ich celem było wsparcie rozwoju europejskiej gospodarki kosmicznej oraz zwiększenie wpływu działań na społeczeństwo oraz gospodarkę.
Nowe granice technologii satelitarnej
Zespołowi projektu TESLA udało się osiągnąć znaczące postępy i rozwinąć nowatorskie rozwiązania dotyczące wielu obszarów. Hong zwraca uwagę na szereg przełomowych osiągnięć, które obejmują między innymi budowę ortogonalnych podsystemów na układach scalonych, co stało się możliwe dzięki skrętowi pasma w częstotliwościach mieszczących się w zakresie 220-325 GHz, co zostało opisane w opublikowanym artykule. Inne ważne osiągnięcia obejmują opracowanie kompaktowego, zminiaturyzowanego filtra ultraszerokopasmowego opartego na technologii quasi-skupionych rezonatorów powiązanych z podłożem. To rozwiązanie zostało zaprezentowane podczas zorganizowanych w 2021 roku warsztatów IEEE MTT-S International Microwave Filter Workshop. Jednym z zagadnień, którym zajęli się badacze, były urządzenia dostrajalne, charakteryzujące się wysoką selektywnością oraz doskonałymi osiągami w zakresie dobroci (Q). W ramach tych prac udało się opracować rekonfigurowalny układ antenowy na potrzeby radarów, wykorzystujący nowy obwód przełączający. Dodatkowo projekt zaowocował także projektami rekonfigurowalnych przejść falowodowych i modułów antenowych zapewniających doskonałe osiągi w szerokim paśmie częstotliwości oraz elastyczność funkcji, przeznaczonych do układów kształtowania wiązek na potrzeby łączności satelitarnej.
Nowe materiały i techniki produkcji
W ramach prac badacze wykorzystali materiał ceramiczny w roli sprawnego rezonatora w filtrach przeznaczonych do rozwiązań satelitarnych. Naukowcy wykorzystali również materiały ceramiczne oparte na kompozytach zawierających azotek glinu, co pozwoliło na wykorzystanie ich wyjątkowych właściwości oraz zastosowanie metod spiekania. Innym rezultatem prac sieci zbudowanej w ramach projektu TESLA są nowatorskie techniki produkcyjne, które pozwoliły na uzyskanie nieplanarnych elementów pasywnych charakteryzujących się lepszymi parametrami względem istniejących rozwiązań. Techniki obróbki przyrostowej oparte na metalu umożliwiły z kolei uzyskanie prototypowych konstrukcji filtrów dolnoprzepustowych. Zespół skupił się także na rozwoju innych technik i podzespołów, w tym zwrotnic opartych na falowodach – zastosowanie nowatorskich układów strojących opartych na materiałach dielektrycznych pozwoliło na uzyskanie szerokich zakresów strojenia. Prace dotyczące urządzeń pracujących w paśmie fal milimetrowych na potrzeby łączności satelitarnej nowej generacji zaowocowały przeszło dziesięcioma artykułami opublikowanymi na łamach czasopism naukowych. Ponadto w ramach projektu powstały nowatorskie mikromechaniczne układy krzemowe działające w paśmie częstotliwości terahercowych na potrzeby rozwiązań satelitarnych. Badacze opracowali także szereg koncepcji filtrów metamateriałowych oraz metapowierzchniowych w celu poprawy rekonfigurowalności komponentów i zwiększenia osiągów w zakresie tłumienia poza pasmem. Ostatnim obszarem prac były narzędzia do optymalizacji topologii w celu produkcji zminiaturyzowanych podzespołów na potrzeby układów dużej mocy przy użyciu technik obróbki przyrostowej.
Rezultaty prac i spuścizna sieci TESLA
„Można bez ogródek powiedzieć, że sieć TESLA znacząco przyczyniła się do rozwoju europejskiej gospodarki kosmicznej poprzez zwiększanie elastyczności wyposażenia satelitów, możliwości rozwoju technologii kosmicznego internetu rzeczy, a także szybkiej łączności, teledetekcji i technologii dużych mocy”, twierdzi Hong. Przez 4,5 roku udało się zbudować silne powiązania między partnerami akademickimi i przemysłowymi oraz zespołami innych projektów zajmujących się przestrzenią kosmiczną. Co więcej, sieć TESLA osiągnęła wiele znaczących rezultatów. Jednym z nich było skuteczne złożenie trzech zgłoszeń patentowych, a jedno z opatentowanych rozwiązań zostało sprzedane spółce Airbus. Uwagę zwraca także 60 artykułów w czasopismach naukowych oraz referatów konferencyjnych, a kolejne publikacje są obecnie przygotowywane.
Słowa kluczowe
TESLA, przestrzeń kosmiczna, kosmos, łączność satelitarna, antena, obróbka przyrostowa