Človeštvo že od 20. stoletja naprej zanima raziskovanje vesolja in razumevanje, kaj leži onkraj Zemlje. Velike organizacije, kot sta NASA in ESA, so v ospredju raziskovanja vesolja, pomemben akter pri tem osvajanju pa je 3D-tiskanje. Z zmožnostjo hitre izdelave kompleksnih delov po nizkih stroških postaja ta tehnologija oblikovanja vse bolj priljubljena v podjetjih. Omogoča ustvarjanje številnih aplikacij, kot so sateliti, vesoljske obleke in komponente raket. Pravzaprav naj bi po podatkih SmarTecha tržna vrednost aditivne proizvodnje v zasebni vesoljski industriji do leta 2026 dosegla 2,1 milijarde evrov. To postavlja vprašanje: Kako lahko 3D-tiskanje pomaga ljudem, da se odlično znajdejo v vesolju?
Sprva se je 3D-tiskanje uporabljalo predvsem za hitro izdelavo prototipov v medicinski, avtomobilski in vesoljski industriji. Vendar pa se s širšo razširjenostjo tehnologije vse pogosteje uporablja tudi za končne komponente. Tehnologija aditivne proizvodnje kovin, zlasti L-PBF, je omogočila proizvodnjo različnih kovin z lastnostmi in vzdržljivostjo, primernimi za ekstremne vesoljske pogoje. Druge tehnologije 3D-tiskanja, kot so DED, brizganje veziva in ekstruzijski postopek, se uporabljajo tudi pri izdelavi vesoljskih komponent. V zadnjih letih so se pojavili novi poslovni modeli, pri čemer podjetja, kot sta Made in Space in Relativity Space, uporabljajo tehnologijo 3D-tiskanja za načrtovanje vesoljskih komponent.
Relativity Space razvija 3D-tiskalnik za vesoljsko industrijo
Tehnologija 3D-tiskanja v vesoljski industriji
Zdaj, ko smo jih predstavili, si podrobneje oglejmo različne tehnologije 3D-tiskanja, ki se uporabljajo v letalski in vesoljski industriji. Najprej je treba opozoriti, da se na tem področju najpogosteje uporablja aditivna proizvodnja kovin, zlasti L-PBF. Ta postopek vključuje uporabo laserske energije za taljenje kovinskega prahu plast za plastjo. Še posebej je primeren za izdelavo majhnih, kompleksnih, natančnih in prilagojenih delov. Proizvajalci letalske in vesoljske industrije lahko prav tako izkoristijo prednosti DED, ki vključuje nanašanje kovinske žice ali prahu in se uporablja predvsem za popravilo, premazovanje ali izdelavo prilagojenih kovinskih ali keramičnih delov.
Nasprotno pa brizganje veziva, čeprav ugodno glede hitrosti proizvodnje in nizkih stroškov, ni primerno za izdelavo visokozmogljivih mehanskih delov, ker zahteva naknadne korake utrjevanja, ki podaljšajo čas izdelave končnega izdelka. Tehnologija ekstrudiranja je učinkovita tudi v vesoljskem okolju. Treba je opozoriti, da niso vsi polimeri primerni za uporabo v vesolju, vendar lahko visokozmogljive plastike, kot je PEEK, zaradi svoje trdnosti nadomestijo nekatere kovinske dele. Vendar ta postopek 3D-tiskanja še vedno ni zelo razširjen, lahko pa z uporabo novih materialov postane dragocena prednost za raziskovanje vesolja.
Lasersko zlivanje prahu v plasteh (L-PBF) je široko uporabljena tehnologija v 3D-tiskanju za vesoljsko industrijo.
Potencial vesoljskih materialov
Letalska in vesoljska industrija s 3D-tiskanjem raziskuje nove materiale in predlaga inovativne alternative, ki bi lahko pretresle trg. Medtem ko so bile kovine, kot so titan, aluminij in nikelj-kromove zlitine, vedno v glavnem v središču pozornosti, bi lahko kmalu pritegnil pozornost nov material: lunarni regolit. Lunarni regolit je plast prahu, ki prekriva Luno, in ESA je dokazala prednosti njegove kombinacije s 3D-tiskanjem. Advenit Makaya, višji proizvodni inženir pri ESI, opisuje lunarni regolit kot podoben betonu, sestavljen predvsem iz silicija in drugih kemičnih elementov, kot so železo, magnezij, aluminij in kisik. ESA je sklenila partnerstvo z Lithozom za proizvodnjo majhnih funkcionalnih delov, kot so vijaki in zobniki, z uporabo simuliranega lunarnega regolita z lastnostmi, podobnimi pravemu luninemu prahu.
Večina procesov, povezanih z izdelavo lunarnega regolita, uporablja toploto, zaradi česar je združljiv s tehnologijami, kot so SLS in rešitve za tiskanje s prašnim lepljenjem. ESA uporablja tudi tehnologijo D-Shape s ciljem izdelave trdnih delov z mešanjem magnezijevega klorida z materiali in kombiniranjem le-tega z magnezijevim oksidom, ki ga najdemo v simuliranem vzorcu. Ena od pomembnih prednosti tega lunarnega materiala je njegova finejša ločljivost tiska, ki omogoča izdelavo delov z največjo natančnostjo. Ta lastnost bi lahko postala glavna prednost pri širitvi nabora aplikacij in izdelavi komponent za prihodnje lunarne baze.
Lunin regolit je povsod
Obstaja tudi Marsov regolit, ki se nanaša na podzemni material, ki ga najdemo na Marsu. Mednarodne vesoljske agencije trenutno ne morejo izvleči tega materiala, vendar to ni ustavilo znanstvenikov pri raziskovanju njegovega potenciala v nekaterih vesoljskih projektih. Raziskovalci uporabljajo simulirane vzorce tega materiala in ga kombinirajo s titanovo zlitino za izdelavo orodij ali raketnih komponent. Začetni rezultati kažejo, da bo ta material zagotavljal večjo trdnost in ščitil opremo pred rjavenjem in poškodbami zaradi sevanja. Čeprav imata ta dva materiala podobne lastnosti, je lunarni regolit še vedno najbolj preizkušen material. Druga prednost je, da je te materiale mogoče izdelati na kraju samem, ne da bi bilo treba surovine prevažati z Zemlje. Poleg tega je regolit neizčrpen vir materialov, kar pomaga preprečevati pomanjkanje.
Uporaba tehnologije 3D-tiskanja v letalski in vesoljski industriji
Uporaba tehnologije 3D-tiskanja v letalski in vesoljski industriji se lahko razlikuje glede na uporabljeni postopek. Na primer, lasersko fuzijo v praškasti postelji (L-PBF) je mogoče uporabiti za izdelavo zapletenih kratkoročnih delov, kot so orodni sistemi ali vesoljski rezervni deli. Launcher, kalifornijsko zagonsko podjetje, je uporabilo tehnologijo 3D-tiskanja s safirno kovino podjetja Velo3D za izboljšanje svojega tekočega raketnega motorja E-2. Proizvajalčev postopek je bil uporabljen za izdelavo indukcijske turbine, ki igra ključno vlogo pri pospeševanju in potiskanju tekočega kisika (LOX) v zgorevalno komoro. Turbina in senzor sta bila natisnjena s tehnologijo 3D-tiskanja in nato sestavljena. Ta inovativna komponenta zagotavlja raketi večji pretok tekočine in večji potisk, zaradi česar je bistveni del motorja.
Velo3D je prispeval k uporabi tehnologije PBF pri izdelavi raketnega motorja na tekoče gorivo E-2.
Aditivna proizvodnja ima široko uporabo, vključno s proizvodnjo majhnih in velikih struktur. Tehnologije 3D-tiskanja, kot je rešitev Stargate podjetja Relativity Space, se lahko na primer uporabljajo za izdelavo velikih delov, kot so rezervoarji za gorivo raket in lopatice propelerjev. Relativity Space je to dokazal z uspešno proizvodnjo rakete Terran 1, skoraj v celoti natisnjene s 3D-tiskalnikom, vključno z več metrov dolgim rezervoarjem za gorivo. Njena prva izstrelitev 23. marca 2023 je pokazala učinkovitost in zanesljivost procesov aditivne proizvodnje.
Tehnologija 3D-tiskanja na osnovi ekstruzije omogoča tudi izdelavo delov z uporabo visokozmogljivih materialov, kot je PEEK. Komponente, izdelane iz te termoplastike, so bile že preizkušene v vesolju in nameščene na roverju Rashid kot del lunarne misije ZAE. Namen tega testa je bil oceniti odpornost PEEK-a na ekstremne lunarne razmere. Če bo uspešen, bo PEEK morda lahko nadomestil kovinske dele v situacijah, ko se kovinski deli zlomijo ali so materiali omejeni. Poleg tega bi lahko bile lahke lastnosti PEEK-a dragocene pri raziskovanju vesolja.
Tehnologija 3D-tiskanja se lahko uporablja za izdelavo različnih delov za letalsko in vesoljsko industrijo.
Prednosti 3D-tiskanja v letalski in vesoljski industriji
Prednosti 3D-tiskanja v letalski in vesoljski industriji vključujejo izboljšan končni videz delov v primerjavi s tradicionalnimi tehnikami gradnje. Johannes Homa, izvršni direktor avstrijskega proizvajalca 3D-tiskalnikov Lithoz, je izjavil, da »ta tehnologija naredi dele lažje«. Zaradi svobode oblikovanja so 3D-natisnjeni izdelki učinkovitejši in zahtevajo manj virov. To pozitivno vpliva na vpliv proizvodnje delov na okolje. Relativity Space je dokazal, da lahko aditivna proizvodnja znatno zmanjša število komponent, potrebnih za izdelavo vesoljskega plovila. Pri raketi Terran 1 je bilo prihranjenih 100 delov. Poleg tega ima ta tehnologija znatne prednosti pri hitrosti proizvodnje, saj je raketa dokončana v manj kot 60 dneh. Nasprotno pa bi lahko izdelava rakete s tradicionalnimi metodami trajala več let.
Kar zadeva upravljanje virov, lahko 3D-tiskanje prihrani materiale in v nekaterih primerih celo omogoči recikliranje odpadkov. Nenazadnje lahko aditivna proizvodnja postane dragoceno sredstvo za zmanjšanje vzletne teže raket. Cilj je čim bolj povečati uporabo lokalnih materialov, kot je regolit, in čim bolj zmanjšati prevoz materialov znotraj vesoljskega plovila. To omogoča, da se s seboj vzame le 3D-tiskalnik, s katerim lahko po potovanju vse ustvarimo na kraju samem.
Podjetje Made in Space je že poslalo enega od svojih 3D-tiskalnikov v vesolje na testiranje.
Omejitve 3D-tiskanja v vesolju
Čeprav ima 3D-tiskanje številne prednosti, je tehnologija še vedno relativno nova in ima omejitve. Advenit Makaya je izjavil: »Ena glavnih težav aditivne proizvodnje v letalski in vesoljski industriji je nadzor in validacija procesov.« Proizvajalci lahko vstopijo v laboratorij in pred validacijo preizkusijo trdnost, zanesljivost in mikrostrukturo vsakega dela, postopek, znan kot nedestruktivno testiranje (NDT). Vendar je to lahko zamudno in drago, zato je končni cilj zmanjšati potrebo po teh testih. NASA je pred kratkim ustanovila center za reševanje te težave, osredotočen na hitro certificiranje kovinskih komponent, izdelanih z aditivno proizvodnjo. Center si prizadeva uporabiti digitalne dvojčke za izboljšanje računalniških modelov izdelkov, kar bo inženirjem pomagalo bolje razumeti delovanje in omejitve delov, vključno s tem, kolikšen pritisk lahko prenesejo, preden se zlomijo. S tem center upa, da bo pomagal spodbuditi uporabo 3D-tiskanja v letalski in vesoljski industriji, s čimer bo postalo učinkovitejše pri konkurenci s tradicionalnimi proizvodnimi tehnikami.
Te komponente so bile podvržene obsežnim preizkusom zanesljivosti in trdnosti.
Po drugi strani pa je postopek preverjanja drugačen, če se proizvodnja izvaja v vesolju. Advenit Makaya iz ESA pojasnjuje: »Obstaja tehnika, ki vključuje analizo delov med tiskanjem.« Ta metoda pomaga ugotoviti, kateri tiskani izdelki so primerni in kateri ne. Poleg tega obstaja sistem samokorekcije za 3D-tiskalnike, namenjene vesolju, ki se preizkuša na kovinskih strojih. Ta sistem lahko prepozna morebitne napake v proizvodnem procesu in samodejno spremeni njegove parametre, da odpravi morebitne napake v delu. Pričakuje se, da bosta ta dva sistema izboljšala zanesljivost tiskanih izdelkov v vesolju.
Za validacijo rešitev 3D-tiskanja sta NASA in ESA vzpostavili standarde. Ti standardi vključujejo vrsto testov za ugotavljanje zanesljivosti delov. Upoštevajo tehnologijo fuzije v praškasti postelji in jih posodabljajo za druge procese. Vendar pa to sledljivost zagotavljajo tudi številni večji akterji v industriji materialov, kot so Arkema, BASF, Dupont in Sabic.
Živeti v vesolju?
Z napredkom tehnologije 3D-tiskanja smo na Zemlji videli veliko uspešnih projektov, ki to tehnologijo uporabljajo za gradnjo hiš. Zaradi tega se sprašujemo, ali bi se ta postopek lahko v bližnji ali daljni prihodnosti uporabil za gradnjo bivalnih struktur v vesolju. Čeprav je življenje v vesolju trenutno nerealno, je lahko gradnja hiš, zlasti na Luni, koristna za astronavte pri izvajanju vesoljskih misij. Cilj Evropske vesoljske agencije (ESA) je zgraditi kupole na Luni z uporabo lunarnega regolita, ki se lahko uporabi za gradnjo sten ali opek za zaščito astronavtov pred sevanjem. Po besedah Advenita Makaye iz ESA je lunarni regolit sestavljen iz približno 60 % kovine in 40 % kisika ter je bistven material za preživetje astronavtov, saj lahko zagotovi neskončen vir kisika, če ga pridobimo iz tega materiala.
NASA je podjetju ICON podelila 57,2 milijona dolarjev nepovratnih sredstev za razvoj sistema 3D-tiskanja za gradnjo struktur na lunini površini in sodeluje s podjetjem tudi pri ustvarjanju habitata Mars Dune Alpha. Cilj je preizkusiti življenjske razmere na Marsu tako, da prostovoljci eno leto živijo v habitatu, ki simulira razmere na rdečem planetu. Ta prizadevanja predstavljajo ključne korake k neposredni izgradnji 3D-natisnjenih struktur na Luni in Marsu, kar bi sčasoma lahko utrlo pot človeški kolonizaciji vesolja.
V daljni prihodnosti bi te hiše lahko omogočile preživetje življenja v vesolju.
Čas objave: 14. junij 2023
