Piegatura spaziale / Space folding

Piegatura spaziale / Space folding

Segnalato dal Dott. Giuseppe Cotellessa / Reported by Dr. Giuseppe Cotellessa 

L'elettronica pieghevole è essenziale nei sistemi spaziali dispiegabili.  /  Folding electronics are essential in deployable space system 

L'esplorazione spaziale sta diventando sempre più complessa. Poiché le missioni mirano a raggiungere distanze maggiori ed a scoprire di più, veicoli spaziali e satelliti devono essere dotati di tecnologie più sofisticate senza compromettere l'efficienza del lancio.

L'elettronica pieghevole è essenziale nei sistemi spaziali dispiegabili. La compattezza è fondamentale durante il lancio, ma non in orbita, quando sono necessari sistemi aggiuntivi. L'elettronica flessibile e pieghevole è una risposta a questa contraddizione.

I sistemi dispiegabili consentono lanci compatti ed economici e piena funzionalità in orbita. Le apparecchiature che non sono necessarie fino all'orbita possono essere riposte in modo da non interferire con le condizioni di lancio.

Molti di questi sistemi dispiegabili contengono componenti elettronici. Pannelli solari, antenne e sensori altamente ripiegabili e dispiegabili massimizzano l'efficienza spaziale e consentono ai veicoli spaziali di raccogliere dati scientifici e ingegneristici significativi. Per essere efficaci, questi sistemi devono resistere alle sollecitazioni fisiche di piegatura o rotolamento durante l'impacchettamento, mantenere l'integrità strutturale durante il dispiegamento e preservare le loro prestazioni elettriche dopo il dispiegamento.

I rischi

L'elettronica dispiegabile spesso supporta sistemi essenziali, il che significa che qualsiasi guasto può mettere fine alla missione. Un pannello solare pieghevole danneggiato può lasciare un veicolo spaziale senza energia sufficiente. Un sensore dispiegabile malfunzionante può impedire ad una missione di raccogliere i dati per cui era stata progettata. Ecco perché l'affidabilità di questi sistemi è fondamentale.

I dispositivi elettronici flessibili sono sottoposti a sollecitazioni meccaniche estreme quando vengono piegati od arrotolati per il lancio e durante il processo di dispiegamento. I sistemi arrotolati distribuiscono le sollecitazioni lungo la loro lunghezza, mentre i modelli piegati concentrano le sollecitazioni su specifiche linee di piegatura, rendendo quelle aree particolarmente vulnerabili.

I materiali e l'architettura del circuito devono tollerare queste sollecitazioni. Tutti i materiali flessibili hanno un raggio di curvatura, ovvero la capacità di un materiale di flettersi senza fessurarsi, delaminarsi o subire sollecitazioni eccessive che potrebbero causare guasti. Questo viene utilizzato per determinare i materiali corretti per i nuovi progetti elettronici pieghevoli, nonché la massima capacità di piegatura di un sistema. Tuttavia, anche con i materiali flessibili, sollecitazioni meccaniche estreme possono causare crepe. Quando diversi strati del dispositivo presentano una flessibilità non corrispondente, le sollecitazioni possono accumularsi ed alla fine propagare le crepe attraverso più strati, incluso il substrato flessibile stesso.

Sebbene tutti i sistemi elettronici siano sottoposti a forze durante il lancio, i componenti elettronici in corrispondenza delle linee di piegatura sono sottoposti a sollecitazioni maggiori ed i collegamenti elettrici devono essere riallineati correttamente dopo il dispiegamento. Dopo il dispiegamento, lo stress residuo nei punti di piegatura più acuti può portare ad un temporaneo aumento della resistenza elettrica.

I sistemi possono recuperare da questo problema, ma ridurre al minimo la resistenza elettrica è sempre un obiettivo. Tuttavia, i progettisti devono bilanciare la robustezza elettrica con la resistenza meccanica. Un rinforzo eccessivo dei percorsi elettrici può compromettere la resistenza meccanica e la durata del sistema. E se la resistenza meccanica del dispositivo non è sufficiente, le crepe possono anche portare ad un aumento della resistenza elettrica ed ad una riduzione delle prestazioni del dispositivo.

Svolgimento in condizioni simili a quelle spaziali

Le condizioni nello spazio sono estreme ed i sistemi elettronici che inviamo lassù devono essere in grado di farvi fronte. Se a ciò si aggiungono lo stress meccanico e le vulnerabilità elettriche introdotte dalla ripiegabilità, i dispositivi elettronici dispiegabili corrono un rischio di guasto ancora più elevato. I materiali ed i componenti devono essere in grado di resistere a temperature estremamente basse e di funzionare in modo efficiente sotto vuoto per rimanere sufficientemente flessibili da consentire un dispiegamento di successo prima di raggiungere la piena funzionalità.

Test di strutture pieghevoli

I dispositivi elettronici pieghevoli sono già di per sé più complessi di quelli rigidi. Se a tutto questo si aggiungono i requisiti di spazio, diventa ancora più fondamentale disporre di procedure di test affidabili per garantire che questi sistemi implementabili possano effettivamente svolgere il loro compito.

Le simulazioni aiutano a valutare il comportamento dei materiali e delle proprietà elettroniche sotto stress meccanico ed ambientale. Gli ingegneri utilizzano software avanzati di progettazione assistita da computer, come quelli di Altium e Cadence, per identificare potenziali punti di guasto prima di passare alla prototipazione fisica.

Utilizzate nelle fasi iniziali del ciclo di sviluppo, le simulazioni aiutano ad evitare costose modifiche di progettazione in fase avanzata, ad evitare interruzioni della supply chain ed a consentire ai gruppi di progettazione di perfezionare le prestazioni dei dispositivi mantenendo la flessibilità dei progetti. Modificare anche un solo componente in un progetto può avere ripercussioni su tutte le altre fasi. Questo non rappresenta un problema se il progetto esiste solo in una simulazione, ma solleva molte più problematiche se si è investito tempo e denaro nella fabbricazione di un prototipo od addirittura di un sistema completo.

Una volta confermati i progetti tramite simulazioni, test fisici su piccola scala convalidano il comportamento di materiali e componenti in condizioni reali. Configurazioni di test avanzate, come le stazioni di prova, vengono utilizzate con micromanipolatori per stabilire un contatto preciso con delicati componenti elettronici. Poiché l'elettronica flessibile, come celle solari e sensori, spesso si basa su materiali non convenzionali o di nuova concezione, testare le proprietà elettriche in diverse fasi di piegatura è essenziale per confermarne la stabilità.

Configurazioni di test multiasse

Una volta confermate le proprietà elettriche nei test su piccola scala, è possibile produrre sistemi di piegatura su scala reale. Le loro prestazioni vengono valutate su piattaforme multiasse che imitano i movimenti di piegatura e dispiegamento effettivi richiesti per il lancio e la fase orbitale. Questi test rivelano problemi di durabilità e modalità di guasto impreviste che né la simulazione né i test su piccola scala avrebbero potuto prevedere o identificare. Confermano inoltre se i materiali sono in grado di resistere a ripetuti cicli di piegatura alla scala del sistema completo.

Successo pieghevole

L'elettronica pieghevole sta già contribuendo al successo delle missioni spaziali. Il Roll Out Solar Array, utilizzato nella missione DART della NASA del 2021, ha dimostrato come i pannelli solari arrotolati possano ridurre drasticamente massa e volume durante il lancio, fornendo al contempo una notevole quantità di energia una volta dispiegati. E nel 2024, è stato sviluppato un braccio auto-dispiegabile con elettronica flessibile integrata, da utilizzare nelle missioni Cube Sat del 2025. I sensori flessibili tracciano il movimento e le vibrazioni del braccio, fornendo dati essenziali sia sul processo di dispiegamento che sulla funzionalità del sistema.

Più di recente, un progetto di Lightricity e dell'Università di Leicester ha ricevuto finanziamenti per sviluppare coperture solari flessibili ultra-efficienti con meccanismi di srotolamento compatti e modulari. Ciò migliorerà le tecnologie esistenti, come quella del Roll Out Solar Array.

Con la continua crescita delle missioni spaziali in termini di scala ed ambizione, aumenterà anche la necessità di dispositivi elettronici che possano essere riposti in modo compatto ed al tempo stesso utilizzati in modo affidabile.

I sistemi pieghevoli offrono un modo per trasportare più capacità, senza aggiungere massa o volume proibitivi, che i progetti rigidi semplicemente non possono eguagliare. Con l'avanzare di questa tecnologia, l'elettronica flessibile svolgerà un ruolo sempre più centrale nel modo in cui progettiamo, alimentiamo e gestiamo i veicoli spaziali.

ENGLISH

Space exploration is becoming increasingly complex. As missions aim to reach further and uncover more, spacecraft and satellites must carry more sophisticated technologies without compromising launch efficiency.

Compactness is vital during launch, but not in orbit when additional systems are needed. Flexible and foldable electronics are an answer to this contradiction.

Deployable systems enable compact, cost-efficient launches and full functionality in orbit. Equipment which isn’t needed until orbit can be packed away so it doesn’t interfere with launch conditions.

Many of these deployable systems have electronic components. Highly packable and deployable solar panels, antennas, and sensors maximise spatial efficiency and enable spacecraft to collect meaningful scientific and engineering data. To be effective, these systems must withstand the physical demands of folding or rolling during packaging, maintain structural integrity when deployed, and preserve their electrical performance after deployment.

The Risks

Deployable electronics often support essential systems, meaning any failure can be mission-ending. A damaged foldable solar panel can leave a spacecraft without enough power. A malfunctioning deployable sensor can prevent a mission from gathering the data it was designed to obtain. That’s why reliability within these systems is critical.

Flexible electronics are placed under extreme mechanical stress when folded or rolled for launch and during the deployment process. Rolled systems distribute stress along their length, while folded designs concentrate stress at specific fold lines, making those areas especially vulnerable.

The materials and circuit architecture must tolerate these stresses. All flexible materials have a bend radius; how tightly a material can flex without cracking, delamination, or excessive stress that could lead to a failure. This is used to determine the correct materials for new foldable electronic designs as well as the maximum folding capability of a system. But even with flexible materials, extreme mechanical stress can lead to cracks. When different layers in the device have mismatched flexibility, stress can accumulate and eventually propagate cracks through multiple layers, including the flexible substrate itself.

While all electronic systems experience forces during launch, electronic components at the fold lines face the greatest strain and electrical connections must successfully realign after deployment. After unfolding, residual stress at sharp folding points can lead to a temporary increase in electrical resistance.

Systems can recover from this but minimising electrical resistance is always a goal. Yet, designers must balance electrical robustness with mechanical strength. Reinforcing electrical pathways too heavily can compromise the mechanical strength and durability of the system. And if the mechanical strength of the device is not sufficient, cracks also lead to increased electrical resistance and reduced device performance.

Unfolding Under Space-Like Conditions

Conditions in space are extreme and the electronic systems we send up there must be able to contend with these conditions. Combined with the mechanical stress and electrical vulnerabilities introduced by folding, deployable electronics face an even higher risk of failure. The materials and components must be able to withstand extremely low temperatures and operate efficiently under vacuum conditions to remain flexible enough for a successful deployment before achieving full functionality.

Testing Foldable Structures

Foldable electronics on their own are already more complex than rigid ones. Add the requirements of space to the equation and robust test procedures become even more critical to ensure these deployable systems can actually do the job.

Simulations help evaluate how materials and electronic properties will behave under mechanical and environmental stress. Engineers use advanced computer-aided design software, like those from Altium and Cadence, to identify potential points of failure before moving to physical prototypes.

Used in the early development cycle, simulations help to avoid costly late-stage design changes, avoid supply-chain disruptions, and allow engineering teams to refine device performance while designs are still flexible. Changing even one component in a design can have knock-on effects for every other stage. This isn’t a problem if your design exists only in a simulation but raises a lot more issues if you have invested time and money into fabricating a prototype or even a full system.

Once the designs are confirmed via simulations, small-scale physical tests validate how materials and components behave in real-world conditions. Advanced testing setups, such as probe stations, are used with micromanipulators to make precise contact with delicate electronic components. Because flexible electronics, like solar cells and sensors, often rely on unconventional or newly developed materials testing electrical properties at different folding stages is essential to confirm stability.

Multi-Axis Test Setups

Once electrical properties have been confirmed in small-scale testing, full-scale folding systems can be produced. Their performance is evaluated in multi-axis rigs that mimic the actual folding and deployment movements required for launch and in orbit. These tests reveal durability issues and unexpected failure modes that neither simulation nor small-scale testing may have predicted or identified. They also confirm whether the materials can withstand repeated folding cycles at the scale of the complete system.

Folding Success

Foldable electronics are already contributing to successful space missions. The Roll Out Solar Array, used on NASA’s 2021 DART mission, demonstrated how rolled solar panels can dramatically reduce mass and volume during launch while providing substantial power once deployed. And in 2024, a self-deployable boom with integrated flexible electronics was developed for use in 2025 Cube Sats missions. The flexible sensors track the boom’s movement and vibration, supplying essential data on both the deployment process and the system’s functionality.

More recently, a project by Lightricity and the University of Leicester received funding to develop ultra-efficient flexible solar blankets with compact, modular roll-out mechanisms. This will improve on on existing technologies, like that of the Roll Out Solar Array.

As space missions continue to grow in scale and ambition, the need for electronics that can be compactly stowed yet reliably deployed will only increase.

Foldable systems offer a way to carry more capability, without adding prohibitive mass or volume, which rigid designs just can’t match. As this technology advances, flexible electronics will play an increasingly central role in how we design, power, and operate spacecraft.

Da:

https://www.newelectronics.co.uk/content/features/space-folding?