Kopš 20. gadsimta cilvēce ir fascinējusi kosmosa izpēti un izpratni par to, kas atrodas ārpus Zemes. Tādas lielas organizācijas kā NASA un ESA ir bijušas kosmosa izpētes priekšgalā, un vēl viens svarīgs spēlētājs šajā iekarojumā ir 3D drukāšana. Pateicoties spējai ātri ražot sarežģītas detaļas par zemām izmaksām, šī dizaina tehnoloģija kļūst arvien populārāka uzņēmumos. Tā ļauj radīt daudzas lietojumprogrammas, piemēram, satelītus, kosmosa tērpus un raķešu komponentus. Faktiski, saskaņā ar SmarTech datiem, privātās kosmosa nozares aditīvās ražošanas tirgus vērtība līdz 2026. gadam, domājams, sasniegs 2,1 miljardu eiro. Tas rada jautājumu: kā 3D drukāšana var palīdzēt cilvēkiem gūt panākumus kosmosā?
Sākotnēji 3D drukāšana galvenokārt tika izmantota ātrai prototipu izgatavošanai medicīnas, autobūves un kosmosa nozarēs. Tomēr, tehnoloģijai kļūstot arvien izplatītākai, to arvien vairāk izmanto gala lietojuma komponentiem. Metālu aditīvās ražošanas tehnoloģija, jo īpaši L-PBF, ir ļāvusi ražot dažādus metālus ar īpašībām un izturību, kas piemērota ekstremāliem kosmosa apstākļiem. Kosmosa komponentu ražošanā tiek izmantotas arī citas 3D drukāšanas tehnoloģijas, piemēram, DED, saistvielu strūklas apstrāde un ekstrūzijas process. Pēdējos gados ir parādījušies jauni biznesa modeļi, un tādi uzņēmumi kā Made in Space un Relativity Space izmanto 3D drukāšanas tehnoloģiju, lai projektētu kosmosa komponentus.
Relativity Space izstrādā 3D printeri kosmosa rūpniecībai
3D drukāšanas tehnoloģija kosmosa rūpniecībā
Tagad, kad esam tos iepazinuši, aplūkosim tuvāk dažādas 3D drukāšanas tehnoloģijas, ko izmanto kosmosa rūpniecībā. Vispirms jāatzīmē, ka metālu aditīvā ražošana, īpaši L-PBF, šajā jomā ir visplašāk izmantota. Šis process ietver lāzera enerģijas izmantošanu, lai sakausētu metāla pulveri slāni pa slānim. Tas ir īpaši piemērots mazu, sarežģītu, precīzu un pielāgotu detaļu ražošanai. Arī kosmosa ražotāji var gūt labumu no DED, kas ietver metāla stieples vai pulvera uzklāšanu un galvenokārt tiek izmantota remontam, pārklāšanai vai pielāgotu metāla vai keramikas detaļu ražošanai.
Turpretī saistvielu izsmidzināšana, lai gan ir izdevīga ražošanas ātruma un zemo izmaksu ziņā, nav piemērota augstas veiktspējas mehānisku detaļu ražošanai, jo tai nepieciešami pēcapstrādes stiprināšanas soļi, kas palielina gatavā produkta ražošanas laiku. Ekstrūzijas tehnoloģija ir efektīva arī kosmosa vidē. Jāatzīmē, ka ne visi polimēri ir piemēroti izmantošanai kosmosā, taču augstas veiktspējas plastmasas, piemēram, PEEK, to izturības dēļ var aizstāt dažas metāla detaļas. Tomēr šis 3D drukāšanas process joprojām nav īpaši izplatīts, taču, izmantojot jaunus materiālus, tas var kļūt par vērtīgu resursu kosmosa izpētē.
Lāzerpulverveida kausēšana (L-PBF) ir plaši izmantota tehnoloģija 3D drukāšanā kosmosa nozarē.
Kosmosa materiālu potenciāls
Aviācijas un kosmosa rūpniecība ir pētījusi jaunus materiālus, izmantojot 3D drukāšanu, piedāvājot inovatīvas alternatīvas, kas varētu mainīt tirgu. Lai gan tādi metāli kā titāns, alumīnijs un niķeļa-hroma sakausējumi vienmēr ir bijuši galvenā uzmanība, drīz uzmanības centrā varētu nonākt jauns materiāls: Mēness regolīts. Mēness regolīts ir putekļu slānis, kas klāj Mēnesi, un ESA ir pierādījusi tā apvienošanas ar 3D drukāšanu priekšrocības. Advenits Makaja, ESA vecākais ražošanas inženieris, Mēness regolītu raksturo kā līdzīgu betonam, kas galvenokārt sastāv no silīcija un citiem ķīmiskiem elementiem, piemēram, dzelzs, magnija, alumīnija un skābekļa. ESA ir sadarbojusies ar Lithoz, lai ražotu mazas funkcionālas detaļas, piemēram, skrūves un zobratus, izmantojot simulētu Mēness regolītu ar īpašībām, kas līdzīgas īstam Mēness putekļiem.
Lielākā daļa Mēness regolīta ražošanas procesu izmanto siltumu, padarot to saderīgu ar tādām tehnoloģijām kā SLS un pulverveida līmēšanas drukas risinājumi. ESA izmanto arī D-Shape tehnoloģiju ar mērķi ražot cietas detaļas, sajaucot magnija hlorīdu ar materiāliem un apvienojot to ar simulētajā paraugā atrodamo magnija oksīdu. Viena no šī Mēness materiāla būtiskajām priekšrocībām ir tā smalkākā drukas izšķirtspēja, kas ļauj ražot detaļas ar visaugstāko precizitāti. Šī īpašība varētu kļūt par galveno priekšrocību, paplašinot pielietojumu klāstu un ražošanas komponentus nākotnes Mēness bāzēm.
Mēness regolīts ir visur
Pastāv arī Marsa regolīts, kas attiecas uz Marsa pazemes materiāliem. Pašlaik starptautiskās kosmosa aģentūras nevar atgūt šo materiālu, taču tas nav atturējis zinātniekus no tā potenciāla izpētes atsevišķos kosmosa projektos. Pētnieki izmanto šī materiāla simulētus paraugus un apvieno tos ar titāna sakausējumu, lai ražotu instrumentus vai raķešu komponentus. Sākotnējie rezultāti liecina, ka šis materiāls nodrošinās lielāku izturību un pasargās aprīkojumu no rūsas un radiācijas bojājumiem. Lai gan šiem diviem materiāliem ir līdzīgas īpašības, Mēness regolīts joprojām ir visvairāk pārbaudītais materiāls. Vēl viena priekšrocība ir tā, ka šos materiālus var ražot uz vietas, bez nepieciešamības transportēt izejvielas no Zemes. Turklāt regolīts ir neizsmeļams materiālu avots, kas palīdz novērst to trūkumu.
3D drukas tehnoloģijas pielietojums kosmosa rūpniecībā
3D drukas tehnoloģijas pielietojums kosmosa rūpniecībā var atšķirties atkarībā no izmantotā procesa. Piemēram, lāzera pulvera slāņa kausēšanu (L-PBF) var izmantot sarežģītu īslaicīgu detaļu, piemēram, instrumentu sistēmu vai kosmosa rezerves daļu, ražošanai. Kalifornijā bāzētais jaunuzņēmums Launcher izmantoja Velo3D safīra metāla 3D drukas tehnoloģiju, lai uzlabotu savu E-2 šķidrā skābekļa raķešu dzinēju. Ražotāja process tika izmantots, lai izveidotu indukcijas turbīnu, kurai ir izšķiroša nozīme LOX (šķidrā skābekļa) paātrināšanā un iedarbināšanā sadegšanas kamerā. Gan turbīna, gan sensors tika izdrukāti, izmantojot 3D drukas tehnoloģiju, un pēc tam salikti. Šī inovatīvā sastāvdaļa nodrošina raķetei lielāku šķidruma plūsmu un lielāku vilci, padarot to par būtisku dzinēja sastāvdaļu.
Velo3D deva ieguldījumu PBF tehnoloģijas izmantošanā E-2 šķidrā kurināmā raķešu dzinēja ražošanā.
Aditīvajai ražošanai ir plašs pielietojums, tostarp mazu un lielu konstrukciju ražošana. Piemēram, 3D drukas tehnoloģijas, piemēram, Relativity Space Stargate risinājums, var tikt izmantotas lielu detaļu, piemēram, raķešu degvielas tvertņu un propelleru lāpstiņu, ražošanai. Relativity Space to ir pierādījis, veiksmīgi ražojot Terran 1 raķeti, kas ir gandrīz pilnībā 3D drukāta, ieskaitot vairākus metrus garu degvielas tvertni. Tās pirmais starts 2023. gada 23. martā demonstrēja aditīvās ražošanas procesu efektivitāti un uzticamību.
Uz ekstrūzijas balstīta 3D drukāšanas tehnoloģija ļauj ražot detaļas, izmantojot augstas veiktspējas materiālus, piemēram, PEEK. No šī termoplasta izgatavotās sastāvdaļas jau ir pārbaudītas kosmosā un tika novietotas uz Rashid rovera AAE Mēness misijas ietvaros. Šī testa mērķis bija novērtēt PEEK izturību pret ekstremāliem Mēness apstākļiem. Ja tas būs veiksmīgs, PEEK varētu aizstāt metāla detaļas situācijās, kad metāla detaļas salūst vai materiālu ir maz. Turklāt PEEK vieglās īpašības varētu būt vērtīgas kosmosa izpētē.
3D drukāšanas tehnoloģiju var izmantot, lai ražotu dažādas detaļas kosmosa rūpniecībai.
3D drukāšanas priekšrocības kosmosa nozarē
3D drukāšanas priekšrocības kosmosa rūpniecībā ietver uzlabotu detaļu galīgo izskatu salīdzinājumā ar tradicionālajām ražošanas metodēm. Austrijas 3D printeru ražotāja Lithoz izpilddirektors Johanness Homa norādīja, ka "šī tehnoloģija padara detaļas vieglākas". Pateicoties dizaina brīvībai, 3D drukātie produkti ir efektīvāki un prasa mazāk resursu. Tas pozitīvi ietekmē detaļu ražošanas ietekmi uz vidi. Relativity Space ir pierādījis, ka aditīvā ražošana var ievērojami samazināt kosmosa kuģu ražošanai nepieciešamo komponentu skaitu. Terran 1 raķetei tika ietaupītas 100 detaļas. Turklāt šai tehnoloģijai ir ievērojamas priekšrocības ražošanas ātrumā, raķeti pabeidzot mazāk nekā 60 dienās. Turpretī raķetes ražošana, izmantojot tradicionālās metodes, varētu ilgt vairākus gadus.
Runājot par resursu pārvaldību, 3D drukāšana var ietaupīt materiālus un dažos gadījumos pat nodrošināt atkritumu pārstrādi. Visbeidzot, aditīvā ražošana var kļūt par vērtīgu līdzekli raķešu pacelšanās svara samazināšanai. Mērķis ir maksimāli palielināt vietējo materiālu, piemēram, regolīta, izmantošanu un samazināt materiālu transportēšanu kosmosa kuģos. Tas ļauj pārvadāt tikai 3D printeri, kas pēc ceļojuma var visu izveidot uz vietas.
"Made in Space" jau ir nosūtījusi vienu no saviem 3D printeriem testēšanai kosmosā.
3D drukāšanas ierobežojumi kosmosā
Lai gan 3D drukāšanai ir daudz priekšrocību, šī tehnoloģija joprojām ir samērā jauna un tai ir ierobežojumi. Advenits Makaja norādīja: "Viena no galvenajām problēmām ar aditīvo ražošanu kosmosa rūpniecībā ir procesa kontrole un validācija." Ražotāji var ieiet laboratorijā un pārbaudīt katras detaļas izturību, uzticamību un mikrostruktūru pirms validācijas, kas pazīstams kā nesagraujošā testēšana (NDT). Tomēr tas var būt gan laikietilpīgi, gan dārgi, tāpēc galvenais mērķis ir samazināt nepieciešamību pēc šiem testiem. NASA nesen izveidoja centru, lai risinātu šo problēmu, kas koncentrējas uz metāla detaļu, kas ražotas ar aditīvo ražošanu, ātru sertifikāciju. Centra mērķis ir izmantot digitālos dvīņus, lai uzlabotu produktu datormodeļus, kas palīdzēs inženieriem labāk izprast detaļu veiktspēju un ierobežojumus, tostarp to, cik lielu spiedienu tās var izturēt pirms lūzuma. Tādējādi centrs cer veicināt 3D drukāšanas pielietošanu kosmosa rūpniecībā, padarot to efektīvāku konkurētspējā ar tradicionālajām ražošanas metodēm.
Šīs sastāvdaļas ir pakļautas visaptverošām uzticamības un izturības pārbaudēm.
No otras puses, verifikācijas process atšķiras, ja ražošana notiek kosmosā. ESA pārstāvis Advenits Makaja skaidro: "Ir metode, kas ietver detaļu analīzi drukāšanas laikā." Šī metode palīdz noteikt, kuri drukātie produkti ir piemēroti un kuri nav. Turklāt 3D printeriem, kas paredzēti kosmosam, ir pašlabošanas sistēma, kas tiek testēta uz metāla mašīnām. Šī sistēma var identificēt potenciālas kļūdas ražošanas procesā un automātiski modificēt savus parametrus, lai labotu visus detaļas defektus. Paredzams, ka šīs divas sistēmas uzlabos drukāto produktu uzticamību kosmosā.
Lai validētu 3D drukāšanas risinājumus, NASA un ESA ir izstrādājušas standartus. Šie standarti ietver virkni testu, lai noteiktu detaļu uzticamību. Tie ņem vērā pulverveida kausēšanas tehnoloģiju un atjaunina tos citiem procesiem. Tomēr daudzi lieli materiālu nozares dalībnieki, piemēram, Arkema, BASF, Dupont un Sabic, arī nodrošina šo izsekojamību.
Dzīvošana kosmosā?
Attīstoties 3D drukāšanas tehnoloģijai, uz Zemes esam redzējuši daudzus veiksmīgus projektus, kuros šī tehnoloģija tiek izmantota māju būvniecībai. Tas liek mums aizdomāties, vai šo procesu tuvākā vai tālākā nākotnē varētu izmantot apdzīvojamu ēku būvniecībai kosmosā. Lai gan dzīvošana kosmosā pašlaik nav reāla, māju celtniecība, īpaši uz Mēness, var būt noderīga astronautiem kosmosa misiju veikšanā. Eiropas Kosmosa aģentūras (ESA) mērķis ir uz Mēness uzbūvēt kupolus, izmantojot Mēness regolītu, ko var izmantot sienu vai ķieģeļu būvniecībai, lai aizsargātu astronautus no radiācijas. Saskaņā ar ESA pārstāvja Advenita Makajas teikto, Mēness regolīts sastāv no aptuveni 60% metāla un 40% skābekļa, un tas ir būtisks materiāls astronautu izdzīvošanai, jo tas var nodrošināt nebeidzamu skābekļa avotu, ja to iegūst no šī materiāla.
NASA ir piešķīrusi ICON 57,2 miljonu dolāru grantu 3D drukas sistēmas izstrādei konstrukciju būvniecībai uz Mēness virsmas, kā arī sadarbojas ar uzņēmumu, lai izveidotu Marsa kāpas alfa dzīvotni. Mērķis ir pārbaudīt dzīves apstākļus uz Marsa, ļaujot brīvprātīgajiem vienu gadu dzīvot dzīvotnē, simulējot apstākļus uz Sarkanās planētas. Šie centieni ir izšķiroši soļi ceļā uz 3D drukātu konstrukciju tiešu būvēšanu uz Mēness un Marsa, kas galu galā varētu pavērt ceļu cilvēku kosmosa kolonizācijai.
Tālā nākotnē šīs mājas varētu ļaut dzīvībai izdzīvot kosmosā.
Publicēšanas laiks: 2023. gada 14. jūnijs
