Un gruppo di ricercatori della University of Illinois Urbana‑Champaign (UIUC) sta sviluppando guide d’onda a microonde pieghevoli ispirate all’origami, pensate per distribuire potenza a radiofrequenza nei carichi utili dei satelliti riducendo ingombro al lancio e peso dei tradizionali condotti metallici rigidi.
Perché ripensare le guide d’onda dei satelliti
Nei satelliti ad alte prestazioni, la potenza a microonde viene distribuita attraverso guide d’onda elettromagnetiche, di solito tubi metallici rigidi con flangioni massicci alle estremità, che occupano spazio, pesano molto e complicano l’instradamento all’interno del payload.
L’idea del team guidato da Xin Ning, del Department of Aerospace Engineering dell’UIUC, è realizzare strutture conduttrici che possano essere lanciate in forma compatta e poi dispiegate in orbita, mantenendo in configurazione operativa un profilo rettangolare compatibile con le prestazioni dei waveguide convenzionali.
Origami come linguaggio di progetto per waveguide dispiegabili
Lo spunto iniziale è nato da un confronto tra Xin Ning e Sven Bilén, esperto di elettromagnetismo allora alla Penn State University, che ha chiesto se i principi dell’origami si potessero applicare a guide d’onda dispiegabili.
La condizione di partenza era vincolante: poiché i waveguide standard hanno sezione rettangolare, i pattern di piega dovevano garantire che, a struttura dispiegata, il condotto mantenesse una sezione rettangolare stabile e una distanza corretta tra i piani di flangia, in modo da preservare la risposta elettromagnetica progettata.
Dai primi prototipi tipo “shopping bag” alle geometrie a soffietto
Il primo concetto sviluppato dal gruppo è stato un corpo pieghevole simile a una “shopping bag”, in cui il fondo rettangolare si comporta come regione prossima alla flangia.
I dottorandi Nikhil Ashok e Sangwoo Suk hanno trasformato questo principio in un vero tubo con ingressi e uscite rettangolari, da cui sono nate configurazioni a soffietto capaci non solo di allungarsi e accorciarsi, ma anche di dispiegarsi con una torsione definita lungo l’asse della guida.
Simulazioni per controllare torsione, angoli e distanze tra flangie
Per le varianti a soffietto con torsione, il team ha utilizzato simulazioni numeriche per esplorare geometrie e schemi di piega, con l’obiettivo di ottenere una torsione di 90 gradi tra ingresso e uscita mantenendo le distanze e gli angoli entro intervalli compatibili con il corretto dispiegamento.
Durante i test meccanici, i ricercatori hanno osservato che, dopo pochi centimetri di dispiegamento quasi senza carico, la forza richiesta cresceva rapidamente quando le linee di piega tendevano a diventare piatte, identificando una zona critica in cui la struttura rischia di danneggiarsi se viene tirata oltre.
Prototipi in carta e alluminio, ma in vista ci sono versioni stampate in 3D
I prototipi iniziali sono stati realizzati come modelli in carta stampata, laminati con foglio di alluminio e successivamente piegati per testare sia la cinematica di dispiegamento sia il comportamento meccanico sotto trazione.
Per applicazioni spaziali, Xin Ning indica come passo successivo strutture portanti più robuste ottenibili con stampa 3D e poi rivestite con materiali come Kapton e laminati metallici conduttivi, così da combinare geometrie complesse, resistenza meccanica e buone proprietà elettromagnetiche all’interno dell’ambiente ostile del volo spaziale.
Limitare lunghezza e perdite: quanti moduli si possono concatenare
Un’altra sfida affrontata dal gruppo riguarda l’aumento delle perdite di segnale con la lunghezza della guida, che impone un compromesso tra numero di segmenti pieghevoli e distanza massima di trasmissione ammissibile.
Il team ha quindi definito una lunghezza target massima e progettato il numero di unità/faldoni in modo che la struttura raggiunga tale distanza senza entrare nella zona meccanicamente critica in cui le cerniere di piega si appiattiscono e la forza richiesta per il dispiegamento sale a livelli pericolosi.
Verso brevetto e possibili applicazioni oltre la spazio
Secondo quanto riportato, è in corso una procedura di brevetto per i concetti sviluppati, e il gruppo cita esplicitamente possibili impieghi anche fuori dall’ambito strettamente spaziale, ad esempio in sistemi terrestri in cui guide d’onda, antenne o componenti RF debbano essere compattabili e dispiegabili solo quando necessario.
L’uso della stampa 3D come opzione di produzione apre il campo a varianti su misura, con geometrie personalizzate per singoli payload, e potrebbe semplificare la realizzazione di batch limitati e iterativi rispetto alle tecniche tradizionali di lavorazione di condotti metallici rigidi.
