Wie die NASA den Einsatz additiv gefertigter PCB-Technologie plant

Bei der NASA ist keine Rede davon, so etwas zu drucken.

Haben Sie bemerkt, wie der 3D-Druck zu einem Phänomen geworden ist? Die Leute scheinen alles per 3D-Druck herstellen zu wollen, was nur eben geht. Vielleicht trifft die 3D-Druck-Mode auf das Internet der Dinge und wir bekommen eine gedruckte intelligente Gabel. Während andere Leute über die 50 besten Sachen schreiben, die man damit anstellen und danach alles wegwerfen kann, werde ich Ihnen erzählen, wie die NASA den 3D-Druck einzusetzen hofft. Um es gleich zu verraten: Sie wollen Raumfahrzeuge und Schaltungen additiv fertigen. Die Bescheibung einer wissenschaftlichen Mission der NASA listet im Detail auf, wie und warum sie additiv gefertigte Schaltungen verwenden würden. Sie haben auch die aktuellen Technologien überprüft, die diese Zukunft zur Wirklichkeit werden lassen könnten.

Wie NASA-Missionen additiv gefertigte Schaltungen verwenden können

Der Weltraum ist eine extreme Umgebung, die zur Erforschung seiner Ausdehnung außergewöhnliche Innovationen erfordert. Die NASA hat in der Vergangenheit viele eindrucksvolle Missionen erfolgreich durchgeführt, aber da wir in der Weltraumfahrt immer weiter voranschreiten, braucht sie noch höher entwickelte Werkzeuge, um ihre Missionen erfolgreich abschließen zu können. Additiv gefertigte flexible Schaltungen sind eine Technologie, auf die die NASA baut, um ihre hoch gesteckten Ziele zu erreichen. Ihre hypothetische StANLE-Mission wurde geplant, um die Vorteile und das Aussehen additiv gefertigter Schaltungen zu demonstrieren.

Die StANLE-Mission wurde erdacht, um das Potenzial additiv gefertigter Raumfahrzeuge zu veranschaulichen. Als ich zum ersten Mal von einem „druckbaren Raumfahrzeug“ las, dachte ich an das Drucken eines Spaceshuttles. Es stellt sich aber heraus, dass diese Fahrzeuge eher wie Papierblätter sind, die hauptsächlich als meteorologische Stationen verwendet werden sollen. Die Sensor-Arrays würden über einem riesigen Bereich abgeworfen werden, um Daten wie Temperatur, Druck, Windgeschwindigkeit, Strahlung und Feuchtigkeit zu sammeln.

In der Vergangenheit hat die NASA Dinge wie Erkundungsfahrzeuge zum Erforschen anderer Planeten benutzt. Ein additiv gefertigtes System hätte mehrere Vorteile gegenüber solchen Missionen. Erkundungsfahrzeuge können ziemlich hochentwickelt sein, bewegen sich aber langsam und können nur Daten in einem bestimmten Gebiet zu einer bestimmten Zeit sammeln. Sie haben auch ein höheres Ausfallrisiko, da alle ihre Bauteile zentral angeordnet sind. Ein größerer Fehler in einem der Systeme könnte dazu führen, dass das ganze Erkundungsfahrzeug ausfällt. Im Gegensatz dazu verteilt die Verwendung Tausender diskreter Sensoren zum Sammeln von großen Datenmengen das Risiko eines Ausfalls über Tausende von Einheiten in einem großen Gebiet. Flexible Schaltungen selbst haben ebenfalls mehrere Vorteile, vor allem ihr geringes Gewicht und ihre geringe Größe. Diese beiden Eigenschaften sind es, was diese Art von Mission theoretisch erfolgreich machen würde. Die NASA verglich das Gewichtsbudget dieser Mission mit dem einer traditionelleren (564 kg), die nur über ein Landungsfahrzeug verfügt. Sie fand heraus, dass auch bei einer Nutzlast von Tausenden von Schaltungen diese Mission immer noch in das gleiche Gewichtsbudget passen würde. Hiermit könnten also anstelle von lediglich einer Station Tausende von Landungsgeräten über Tausende von Kilometern hinweg eingesetzt werden.

Sie fragen sich vielleicht, wie diese additiv gefertigten Raumfahrzeuge eigentlich aussehen würden. Im Grunde würden sie wie ein Stück Papier aussehen und eine große flexible Schaltung darstellen. Ein solches PCB besteht aus Bauteilen wie einer Antenne, einem Mikrocontroller, einem Analog-Digital-Wandler (ADC), einem Akku, Solarzellen sowie Temperatur-, Strahlungs-, Foto-, Druck-, Feuchtigkeits- und Windsensoren. Ein Teil dieser Technologie ist derzeit schon in flexibler Form verfügbar, aber nicht alles. Deshalb hat sich die NASA damit beschäftigt, welche Technologien zum Drucken von Schaltkreisen gebraucht würden, um diese Mission zu verwirklichen.

Additiv gefertigte flexible Schaltungen werden eher so aussehen.

Tauglichkeitsgrade der Technologie

Die NASA entwickelt und nutzt modernste Technologien. Um diese Bestrebungen zu organisieren, hat sie eine Bewertungsskala der Einsatzfähigkeit von Technologie (Technology Readiness Level [TRLs]) entwickelt. Die höchste Stufe (TRL 9) bezieht sich auf bereits im Flug erprobte Technik. TRL 1 heißt, dass sich eine Technologie erst in den Anfangsstadien der Forschung befindet. Um uns eine bessere Vorstellung von der Realisierbarkeit der StANLE Mission zu vermitteln, ging die NASA die TRLs jedes zu druckenden Teils durch. Die NASA verlangt, dass diese Bauteile bis 2020 einsatzfähig sind. Da jedes einzelne davon in kommerziellen Anwendungen zu finden ist und zurzeit erforscht wird, ist das Einhalten dieser Frist wahrscheinlich. Ich werde Ihnen über ein halbwegs fertiges Teil erzählen und über eines, das sich noch in der Vorlaufforschung befindet.

Ein fast einsatzfähiges Teil des Puzzles ist der Temperatursensor. Nicht nur, dass es flexible Temperatursensoren bereits gibt, es existieren sogar schon gedruckte. Die Sensoren, die die NASA interessieren, werden mit Silber-Nanopartikel-Tinte gedruckt, die die Dauer der Mission durchstehen kann. Aktuelle Spitzen-Sensoren können zwischen -263 ℃ und 27 ℃ mit einer Genauigkeit von 0,1 ℃ funktionieren. Die NASA ist der Auffassung, dass diese Eigenschaften ihren Anforderungen in Sachen Messbereich und Empfindlichkeit entsprechen, sodass dieser Sensor auf dem besten Weg zur Mission ist.

Die Dinge sind aber nicht immer so einfach, und andere Bauteile brauchen noch mehr Arbeit. Der Mikrocontroller könnte am schwierigsten vollständig zu drucken sein. Gedruckte Mikrocontroller existieren bereits, aber sie sind sehr langsam. Ein Mikrocontroller für das StANLE-Raumfahrzeug müsste Lese‑ und Schreibzugriffe auf den Speicher steuern, die Stromversorgung regeln und Daten von den Sensoren abfragen. Die NASA könnte die Funktionalität mit Hinblick auf die bestehende Technologie reduzieren, aber das ist keine gute Lösung. Stattdessen hofft man, ein Hybrid eines flexiblen Dünnfilm-Mikroprozessors zu verwenden. Es wird nicht gedruckt sein, wäre aber immer noch flexibel und würde in das Gesamtdesign des Raumfahrzeugs passen.

Die NASA hofft, diese Mission bis 2024 endgültig vorbereitet zu haben, also müssen die verwendeten Technologien bis etwa 2020 einsatzbereit sein. Ich bin mir nicht sicher, ob alle diese Systeme es schaffen werden, aber ich hoffe darauf. Die hypothetische StANLE Mission zeigt, wie nützlich additiv gefertigte flexible Schaltkreise sein könnten. Sie könnten die Reichweite aktueller Weltraummissionen erweitern und ihr Risiko reduzieren, ohne sie mit mehr Gewicht oder Volumen zu belasten. Jetzt müssen nur noch unsere Forschungslabore mehr druckbare Sensoren und andere gedruckte PCB-Bauteile herausbringen.

Diese NASA-Mission zeigt deutlich, dass die Zukunft der Schaltungen sowohl in der additiven Fertigung  als auch in der Flexibilität liegen wird. Sie werden lernen müssen, wie man flexible Schaltungen einsetzt und wie man sie entwirft. Zu Ihrem Glück kann erstklassige PCB-Design-Software wie Altium Designer Sie dabei unterstützen. Altium Designer bietet viele Tools, die Ihnen beim Flex-Design zur Seite stehen können.

Haben Sie weitere Fragen zu flexiblen Schaltkreisen? Dann rufen Sie einen Experten bei Altium an.