Od 20. storočia je ľudstvo fascinované objavovaním vesmíru a pochopením toho, čo sa nachádza za hranicami Zeme. V popredí prieskumu vesmíru stáli významné organizácie ako NASA a ESA a ďalším dôležitým hráčom v tomto úsilí je 3D tlač. Vďaka schopnosti rýchlo vyrábať zložité súčiastky za nízke náklady sa táto dizajnérska technológia stáva čoraz populárnejšou v spoločnostiach. Umožňuje vytvárať mnoho aplikácií, ako sú satelity, skafandre a komponenty rakiet. Podľa spoločnosti SmarTech sa očakáva, že trhová hodnota aditívnej výroby v súkromnom vesmírnom priemysle dosiahne do roku 2026 2,1 miliardy eur. To vyvoláva otázku: Ako môže 3D tlač pomôcť ľuďom vyniknúť vo vesmíre?
Spočiatku sa 3D tlač používala hlavne na rýchle prototypovanie v medicínskom, automobilovom a leteckom priemysle. S rozširovaním tejto technológie sa však čoraz viac používa aj na konečné súčiastky. Technológia aditívnej výroby kovov, najmä L-PBF, umožnila výrobu rôznych kovov s vlastnosťami a odolnosťou vhodnými pre extrémne vesmírne podmienky. Pri výrobe leteckých komponentov sa používajú aj ďalšie technológie 3D tlače, ako napríklad DED, tryskanie spojiva a extrúzia. V posledných rokoch sa objavili nové obchodné modely, pričom spoločnosti ako Made in Space a Relativity Space využívajú technológiu 3D tlače na navrhovanie leteckých komponentov.
Spoločnosť Relativity Space vyvíja 3D tlačiareň pre letecký priemysel
Technológia 3D tlače v leteckom priemysle
Teraz, keď sme si ich predstavili, pozrime sa bližšie na rôzne technológie 3D tlače používané v leteckom a kozmickom priemysle. Najprv treba poznamenať, že aditívna výroba kovov, najmä L-PBF, je v tejto oblasti najpoužívanejšia. Tento proces zahŕňa použitie laserovej energie na tavenie kovového prášku vrstvu po vrstve. Je vhodný najmä na výrobu malých, zložitých, presných a prispôsobených dielov. Výrobcovia leteckého a kozmického priemyslu môžu tiež profitovať z DED, ktorá zahŕňa nanášanie kovového drôtu alebo prášku a používa sa hlavne na opravy, povlakovanie alebo výrobu prispôsobených kovových alebo keramických dielov.
Naproti tomu, tryskanie spojivom, hoci je výhodné z hľadiska rýchlosti výroby a nízkych nákladov, nie je vhodné na výrobu vysokovýkonných mechanických súčiastok, pretože vyžaduje následné kroky spevňovania, ktoré predlžujú čas výroby konečného produktu. Technológia extrúzie je účinná aj vo vesmírnom prostredí. Treba poznamenať, že nie všetky polyméry sú vhodné na použitie vo vesmíre, ale vysokovýkonné plasty, ako napríklad PEEK, môžu vďaka svojej pevnosti nahradiť niektoré kovové súčiastky. Tento proces 3D tlače však stále nie je veľmi rozšírený, ale môže sa stať cenným prínosom pre prieskum vesmíru vďaka použitiu nových materiálov.
Laserová prášková fúzia (L-PBF) je široko používaná technológia v 3D tlači pre letecký priemysel.
Potenciál vesmírnych materiálov
Letecký priemysel skúma nové materiály prostredníctvom 3D tlače a navrhuje inovatívne alternatívy, ktoré môžu narušiť trh. Zatiaľ čo kovy ako titán, hliník a zliatiny niklu a chrómu boli vždy hlavným zameraním, nový materiál by mohol čoskoro ukradnúť pozornosť: lunárny regolit. Lunárny regolit je vrstva prachu pokrývajúca Mesiac a ESA preukázala výhody jeho kombinácie s 3D tlačou. Advenit Makaya, vedúci výrobný inžinier ESA, opisuje lunárny regolit ako podobný betónu, ktorý sa skladá predovšetkým z kremíka a iných chemických prvkov, ako je železo, horčík, hliník a kyslík. ESA sa spojila so spoločnosťou Lithoz na výrobe malých funkčných súčiastok, ako sú skrutky a ozubené kolesá, s použitím simulovaného lunárneho regolitu s vlastnosťami podobnými skutočnému mesačnému prachu.
Väčšina procesov výroby lunárneho regolitu využíva teplo, vďaka čomu je kompatibilný s technológiami, ako sú SLS a práškové tlačiarenské riešenia. ESA tiež používa technológiu D-Shape s cieľom vyrábať pevné diely zmiešaním chloridu horečnatého s materiálmi a jeho kombináciou s oxidom horečnatým, ktorý sa nachádza v simulovanej vzorke. Jednou z významných výhod tohto mesačného materiálu je jeho jemnejšie rozlíšenie tlače, ktoré umožňuje vyrábať diely s najvyššou presnosťou. Táto vlastnosť by sa mohla stať hlavným prínosom pri rozširovaní rozsahu aplikácií a výroby komponentov pre budúce lunárne základne.
Lunárny regolit je všade
Existuje aj marťanský regolit, čo je podpovrchový materiál nachádzajúci sa na Marse. Medzinárodné vesmírne agentúry v súčasnosti nedokážu tento materiál získať, ale to vedcov nezastavilo v skúmaní jeho potenciálu v určitých leteckých a kozmických projektoch. Výskumníci používajú simulované vzorky tohto materiálu a kombinujú ho so zliatinou titánu na výrobu nástrojov alebo komponentov rakiet. Počiatočné výsledky naznačujú, že tento materiál poskytne vyššiu pevnosť a ochráni zariadenia pred hrdzavením a poškodením žiarením. Hoci tieto dva materiály majú podobné vlastnosti, lunárny regolit je stále najviac testovaným materiálom. Ďalšou výhodou je, že tieto materiály sa dajú vyrábať na mieste bez nutnosti prepravy surovín zo Zeme. Okrem toho je regolit nevyčerpateľným zdrojom materiálu, čo pomáha predchádzať ich nedostatku.
Aplikácie technológie 3D tlače v leteckom priemysle
Aplikácie technológie 3D tlače v leteckom priemysle sa môžu líšiť v závislosti od konkrétneho použitého procesu. Napríklad laserová prášková fúzia (L-PBF) sa môže použiť na výrobu zložitých krátkodobých dielov, ako sú nástrojové systémy alebo vesmírne náhradné diely. Launcher, startup so sídlom v Kalifornii, použil technológiu 3D tlače zo zafíru a kovu od spoločnosti Velo3D na vylepšenie svojho raketového motora na kvapalné palivo E-2. Výrobcov proces bol použitý na vytvorenie indukčnej turbíny, ktorá zohráva kľúčovú úlohu pri urýchľovaní a vháňaní LOX (kvapalného kyslíka) do spaľovacej komory. Turbína aj senzor boli vytlačené pomocou technológie 3D tlače a následne zmontované. Tento inovatívny komponent poskytuje rakete väčší prietok kvapaliny a väčší ťah, vďaka čomu je nevyhnutnou súčasťou motora.
Velo3D prispel k použitiu technológie PBF pri výrobe raketového motora na kvapalné palivo E-2.
Aditívna výroba má široké uplatnenie vrátane výroby malých aj veľkých konštrukcií. Napríklad technológie 3D tlače, ako je riešenie Stargate od spoločnosti Relativity Space, sa dajú použiť na výrobu veľkých dielov, ako sú palivové nádrže rakiet a lopatky vrtulí. Spoločnosť Relativity Space to dokázala úspešnou výrobou rakety Terran 1, ktorá bola takmer úplne vytlačená pomocou 3D tlače, vrátane niekoľko metrov dlhej palivovej nádrže. Jej prvý štart 23. marca 2023 preukázal efektívnosť a spoľahlivosť procesov aditívnej výroby.
Technológia 3D tlače založená na extrúzii umožňuje aj výrobu dielov s použitím vysokovýkonných materiálov, ako je PEEK. Komponenty vyrobené z tohto termoplastu už boli testované vo vesmíre a boli umiestnené na roveri Rashid v rámci lunárnej misie SAE. Účelom tohto testu bolo vyhodnotiť odolnosť PEEK voči extrémnym lunárnym podmienkam. Ak bude test úspešný, PEEK by mohol byť schopný nahradiť kovové diely v situáciách, keď sa kovové diely zlomia alebo sú materiály vzácne. Okrem toho, ľahké vlastnosti PEEK môžu byť cenné pri prieskume vesmíru.
Technológia 3D tlače sa dá použiť na výrobu rôznych dielov pre letecký priemysel.
Výhody 3D tlače v leteckom priemysle
Medzi výhody 3D tlače v leteckom priemysle patrí lepší konečný vzhľad dielov v porovnaní s tradičnými konštrukčnými technikami. Johannes Homa, generálny riaditeľ rakúskeho výrobcu 3D tlačiarní Lithoz, uviedol, že „táto technológia robí diely ľahšími“. Vďaka voľnosti dizajnu sú 3D tlačené produkty efektívnejšie a vyžadujú menej zdrojov. To má pozitívny vplyv na vplyv výroby dielov na životné prostredie. Spoločnosť Relativity Space preukázala, že aditívna výroba môže výrazne znížiť počet komponentov potrebných na výrobu kozmickej lode. V prípade rakety Terran 1 sa ušetrilo 100 dielov. Okrem toho má táto technológia značné výhody v rýchlosti výroby, pričom raketa je dokončená za menej ako 60 dní. Naproti tomu výroba rakety tradičnými metódami by mohla trvať niekoľko rokov.
Pokiaľ ide o manažment zdrojov, 3D tlač môže šetriť materiály a v niektorých prípadoch dokonca umožniť recykláciu odpadu. Nakoniec, aditívna výroba sa môže stať cenným prínosom pre zníženie vzletovej hmotnosti rakiet. Cieľom je maximalizovať využitie lokálnych materiálov, ako je regolit, a minimalizovať prepravu materiálov v rámci kozmickej lode. To umožňuje prepravovať so sebou iba 3D tlačiareň, ktorá dokáže všetko vytvoriť na mieste po ceste.
Spoločnosť Made in Space už poslala jednu zo svojich 3D tlačiarní do vesmíru na testovanie.
Obmedzenia 3D tlače vo vesmíre
Hoci 3D tlač má mnoho výhod, táto technológia je stále relatívne nová a má svoje obmedzenia. Advenit Makaya uviedol: „Jedným z hlavných problémov aditívnej výroby v leteckom a kozmickom priemysle je riadenie a validácia procesov.“ Výrobcovia môžu vstúpiť do laboratória a pred validáciou otestovať pevnosť, spoľahlivosť a mikroštruktúru každej súčiastky, čo je proces známy ako nedeštruktívne testovanie (NDT). Môže to však byť časovo náročné aj drahé, takže konečným cieľom je znížiť potrebu týchto testov. NASA nedávno zriadila centrum na riešenie tohto problému, zamerané na rýchlu certifikáciu kovových komponentov vyrobených aditívnou výrobou. Cieľom centra je použiť digitálne dvojčatá na zlepšenie počítačových modelov produktov, čo pomôže inžinierom lepšie pochopiť výkon a obmedzenia súčiastok vrátane toho, aký tlak znesú pred zlomením. Centrum dúfa, že týmto spôsobom pomôže podporiť aplikáciu 3D tlače v leteckom a kozmickom priemysle, čím sa zefektívni jej konkurencia s tradičnými výrobnými technikami.
Tieto komponenty prešli komplexnými testami spoľahlivosti a pevnosti.
Na druhej strane, proces overovania je odlišný, ak sa výroba vykonáva vo vesmíre. Advenit Makaya z ESA vysvetľuje: „Existuje technika, ktorá zahŕňa analýzu dielov počas tlače.“ Táto metóda pomáha určiť, ktoré tlačené produkty sú vhodné a ktoré nie. Okrem toho existuje systém samokorekcie pre 3D tlačiarne určené pre vesmír, ktorý sa testuje na kovových strojoch. Tento systém dokáže identifikovať potenciálne chyby vo výrobnom procese a automaticky upraviť jeho parametre, aby sa opravili akékoľvek chyby v diele. Očakáva sa, že tieto dva systémy zlepšia spoľahlivosť tlačených produktov vo vesmíre.
NASA a ESA zaviedli normy na overenie 3D tlačových riešení. Tieto normy zahŕňajú sériu testov na určenie spoľahlivosti súčiastok. Zohľadňujú technológiu práškového lôžka a aktualizujú ich pre iné procesy. Túto sledovateľnosť však poskytujú aj mnohí významní hráči v materiálovom priemysle, ako napríklad Arkema, BASF, Dupont a Sabic.
Život vo vesmíre?
S pokrokom v technológii 3D tlače sme na Zemi svedkami mnohých úspešných projektov, ktoré túto technológiu využívajú na stavbu domov. To nás núti zamyslieť sa nad tým, či by sa tento proces mohol v blízkej alebo vzdialenej budúcnosti použiť na výstavbu obývateľných štruktúr vo vesmíre. Hoci život vo vesmíre je v súčasnosti nereálny, stavba domov, najmä na Mesiaci, môže byť pre astronautov prospešná pri vykonávaní vesmírnych misií. Cieľom Európskej vesmírnej agentúry (ESA) je postaviť na Mesiaci kupoly s použitím lunárneho regolitu, ktorý sa dá použiť na stavbu stien alebo tehál na ochranu astronautov pred žiarením. Podľa Advenita Makayu z ESA sa lunárny regolit skladá z približne 60 % kovu a 40 % kyslíka a je nevyhnutným materiálom pre prežitie astronautov, pretože ak sa z tohto materiálu extrahuje, môže poskytnúť nekonečný zdroj kyslíka.
NASA udelila spoločnosti ICON grant vo výške 57,2 milióna dolárov na vývoj 3D tlačového systému na stavbu štruktúr na povrchu Mesiaca a spolupracuje so spoločnosťou aj na vytvorení biotopu Mars Dune Alpha. Cieľom je otestovať životné podmienky na Marse tým, že dobrovoľníci budú jeden rok žiť v biotope, simulujúc podmienky na Červenej planéte. Toto úsilie predstavuje kľúčové kroky k priamej výstavbe 3D tlačených štruktúr na Mesiaci a Marse, čo by nakoniec mohlo vydláždiť cestu pre kolonizáciu vesmíru ľuďmi.
V ďalekej budúcnosti by tieto domy mohli umožniť prežitie života vo vesmíre.
Čas uverejnenia: 14. júna 2023
