Nel 1998, cinque agenzie spaziali iniziarono una collaborazione per costruire la Stazione Spaziale Internazionale (ISS), ma costruirla sul terreno e poi lanciarla nello spazio in un sol colpo sarebbe stata impossibile : a 450 tonnellate e leggermente più grande di un campo da calcio , nessun missile è abbastanza grande per fare quel lavoro. Quindi è stato trasportato nello spazio pezzo per pezzo e gradualmente costruito sul posto, a 400 chilometri sopra la superficie terrestre.
21 anni di avanzamento rapido e produzione additiva nello spazio hanno un ruolo significativo da svolgere per la colonizzazione umana in orbita. Se gli esploratori andranno in missione nello spazio in futuro, avranno bisogno di rifugi, veicoli, strumenti, materie prime e macchine per farlo. L’unica macchina in grado di realizzare quasi tutte le forme, anche quelle che non sapevi di aver bisogno, è una stampante 3D. La stampa 3D nello spazio è quindi importante. È anche più facile creare e costruire cose nello spazio piuttosto che costruirle sulla Terra e poi lanciarle in orbita. Nel 2014, la startup Silicon Valley Made in Space (MIS) è diventata la prima azienda a stampare in 3D un oggetto a gravità zero e, appena due anni dopo, ha lanciato la sua Additive Manufacturing Facility (AMF). che ora risiede nella ISS, dove le parti sono fatte e usate dagli astronauti.
AMF, la prima stampante 3D commerciale al mondo sulla Stazione Spaziale Internazionale , è la struttura produttiva più versatile che opera in Low Earth Orbit (LEO). AMF è stata anche la prima struttura in grado di produrre in modo aggiuntivo qualsiasi cosa in microgravità. Dopo quasi tre anni di operazioni di successo, la stampante ha prodotto più di 200 strumenti, dispositivi e componenti per una vasta gamma di clienti, da parti mediche, parti NASA specializzate e articoli commerciali a progetti di matematica (STEM) per studenti. Molti di questi vengono riportati sulla Terra e testati per indagare sugli effetti a lungo termine di un ambiente a microgravità.
Più o meno nello stesso periodo, la società ha iniziato a sviluppare Archinaut – una piattaforma di assemblaggio robotica e di fabbricazione nello spazio – come parte di una partnership pubblico-privato con la NASA. Il sistema è stato progettato per la stampa 3D di parti di grandi dimensioni e utilizza la robotica avanzata per integrarle con altri componenti per la produzione in orbita di satelliti. Inizialmente, Archinaut ha lavorato come dimostrazione di terra, e solo un anno dopo, in una struttura NASA unica che riproduce le condizioni dello spazio, con successo con travi strutturali stampate in 3D . La società è stata in grado di dimostrare che le attrezzature di stampa e l’hardware stampato sono in grado di sopportare la pressione, la temperatura e altri rigori dello spazio esterno.
Così la scorsa settimana, la NASA ha assegnato 73,7 milioni di dollari a Made In Space come parte della seconda fase della partnership, per dimostrare la capacità dell’Archinaut One di fabbricare e assemblare componenti di veicoli spaziali in LEO, come parte dell’esplorazione di Moon to Mars degli Stati Uniti . Archinaut One dovrebbe essere lanciato su un razzo Rocket Lab Electron dalla Nuova Zelanda non prima del 2022. Una volta posizionato in LEO, il veicolo spaziale stampa in 3D due fasci che si estendono di 32 piedi da ciascun lato del veicolo spaziale. Con il progredire della produzione, ogni raggio dispiegherà due pannelli solari che generano una quantità di energia cinque volte superiore rispetto ai tradizionali pannelli solari su veicoli spaziali di dimensioni simili.
Attraverso la progettazione iterativa, la suite di tecnologia MIS è cresciuta fino a includere la stampa 3D in diversi polimeri, la stampa 3D nello spazio libero, la stampa dei metalli (additiva e sottrattiva) e il riciclaggio dei polimeri. Michael Snyder, ingegnere capo MIS e cofondatore, ha discusso con 3DPrint.com come queste tecnologie di esplorazione possono essere utilizzate per missioni di volo spaziale di lunga durata, sulla Luna e su Marte.
“Ogni volta che arriviamo a premere il pulsante di riproduzione sull’AMF, per così dire, guardarlo stampare è sempre nuovo e divertente, anche se l’operazione è molto coerente e di routine. Sono passati cinque anni dalla nostra prima dimostrazione tecnologica con la NASA, quindi per noi è un momento speciale. Siamo partiti da un’idea e da una potenziale soluzione che aiuterà la vita nello spazio in futuro, specialmente quando gli umani vivranno e lavoreranno lassù in maniera più frequente, per essere in grado di metterlo in pratica in una capacità commerciale. Inoltre, le tecnologie derivate al di fuori di tali payload sono ora su altri programmi, come Archinaut , che sarà la prima dimostrazione additiva di produzione e assemblaggio nello spazio nel vuoto “, ha affermato Snyder.
Tuttavia, l’esperienza divertente di creare cose nello spazio non è venuta senza una buona dose di ostacoli. Snyder afferma che in sostanza quando stavano provando la stampante 3D prima di lanciarlo nello spazio, avevano alcune sfide che dovevano risolvere presto e rapidamente. Hanno testato problemi durante le parabole dei voli di prova di microgravità, fornendo un ambiente senza peso per 20-30 secondi, ma poiché gli effetti della convezione naturale e dell’assetto sono stati effettivamente eliminati in condizioni di microgravità, hanno dovuto assicurarsi che le cose calde rimanessero calde e fredde freddo. Mantenere le temperature esattamente dove volevano era un’esperienza di apprendimento e una soluzione attraverso la convezione forzata.
“Il secondo problema che hai in microgravità è qualcosa a cui non pensi, ma la gravità tende a sistemare tutto, e anche a smorzare le cose, in modo che nessuna vibrazione, forte impatto o forza non venga percepita così fortemente. In microgravità, se non hai qualcosa bloccato che deve essere lì, si muoverà un bel po ‘. Quindi dovevamo assicurarci che il nostro sistema fosse davvero rigido e robusto e avesse un’alta ripetibilità per ottenere il tipo di prestazioni che stavamo cercando. Questo ci ha richiesto un po ‘di prove, soprattutto perché molte cose che usiamo per proteggere e mantenere le cose rigide sono piuttosto costose, ma una volta ottenuto il nostro primo contratto, queste cose sono state davvero facili da implementare e non abbiamo mai avuto grossi problemi in orbita che non sapevamo in anticipo “, ha continuato Snyder.
Finora, l’AMF ha stampato con successo con tre materiali nello spazio, l’ABS di plastica di consumo tradizionale, il polietilene ad alta densità (plastica di consumo per contenitori alimentari) e il polieterimmide / policarbonato, noto anche come ULTEM 9085. Secondo Snyder, l’ultimo materiale è davvero interessante per due motivi:
“È davvero a temperatura elevata, quindi può resistere nell’ambiente del vuoto senza deteriorarsi come alcune altre materie plastiche, ed è anche quello che stiamo usando su altri programmi come il programma Archinaut e altri”.
Questo materiale è un polimero di grado aerospaziale che è stato precedentemente utilizzato in satelliti, cabine di aerei e parti di razzi. In molti modi, la capacità dell’AMF di stampare con vari materiali ha influenzato lo sviluppo di Archinaut.
L’anno scorso, MIS ha vinto un contratto con la NASA per costruire un sistema di produzione di spazi metallici robotici noto come VULCAN che costruirà parti di precisione in metalli di grado aerospaziale. L’azienda spera che il suo sistema sia in grado di rendere necessarie qualsiasi missione di equipaggio, come alloggiamenti per sistemi di supporto vitale, che non potrebbero essere realizzati con sistemi attuali. L’additivo ibrido e il sistema sottrattivo utilizzano fondamentalmente la produzione additiva per produrre una forma di rete molto ruvida e quindi si procede con la produzione sottrattiva e forma una forma molto precisa. In laboratorio, hanno già provato il titanio, l’alluminio e l’acciaio, nella speranza di lanciarlo nello spazio.
Snyder suggerisce che “questo programma è un esempio di come l’AMF, la stampa 3D e la tecnologia Zero G siano stati sfruttati per produrre nuove macchine, dal momento che molte parti e metodi che usiamo su questi programmi sono all’interno del dispositivo di produzione ibrido”.
VULCAN si basa sulla modellazione di deposizione fusa, l’attuale metodo di produzione additiva utilizzato dai sistemi spaziali di MIS.
“Siamo concentrati sulla costruzione di infrastrutture nello spazio che implicano la produzione di articoli che non si possono produrre sulla Terra, ma che in realtà potremmo usare sia nello spazio che portare sulla Terra per ottenere un guadagno economico. Quindi, al momento, abbiamo alcune cose che sono focalizzate sui materiali e su come si formano nello spazio per determinare le differenze tra lo spazio e la formazione della Terra. In alcuni casi abbiamo già riscontrato alcune differenze, come nel caso delle fibre ottiche Made In Space che abbiamo lanciato un paio di volte e stiamo fabbricando le linee in fibra ottica di vetro (o fibra ottica ZBLAN ad alto valore di massa), e in orbita si ha una riduzione in sostanza di quanto ruvido è il materiale e c’è meno cristallizzazione, quindi ha una migliore attenuazione e può trasferire più informazioni più velocemente su lunghe distanze rispetto alla sua controparte basata sulla Terra, che ha un paio di difetti quando i cristalli appaiono nella fibra e aumentano significativamente la perdita di segnale “, ha spiegato Snyder.
La fibra miniaturizzata Made in Space Fiber Optics (MIS Fiber) sfrutta le proprietà uniche dell’ambiente di microgravità per produrre un ordine di grandezza in fibra ottica migliore di quello che può essere prodotto sulla Terra. Il piano originale era quello di tirare almeno 100 metri di ZBLAN in microgravità, attraverso un accordo di cooperazione con il Centro per l’avanzamento della scienza nello spazio (CASIS) nel 2017 a bordo della ISS. Una volta prodotto, il carico utile è tornato sulla Terra, dove la fibra è stata testata e utilizzata.
Snyder, che è anche segretario assistente del comitato esecutivo della National Space Society e presidente dell’American Institute of Aeronautics and Astronautics(AIAA) Comitato tecnico di colonizzazione dello spazio (SCTC), ritiene che il team MIS stia facendo tutto il possibile per supportare voli spaziali di lunga durata, ma alcune considerazioni sulla prossima frontiera spaziale sono importanti. L’esperto suggerisce l’ambiente rischioso di uno dei maggiori contendenti per la colonizzazione spaziale nel nostro sistema solare: Marte, che “è pericoloso”, e “di cui la gente non sta parlando, ed è probabilmente la cosa peggiore del pianeta, è l’alta quantità di perclorati sulla superficie. “Questo significa fondamentalmente che la polvere di Marte è una potente preoccupazione per la salute che può uccidere qualsiasi essere umano che si avventura fuori dalla navetta o dall’habitat spaziale, facendo di Marte un posto piuttosto pericoloso. Snyder avverte anche della colonizzazione lunare, sostenendo che “la polvere lunare potrebbe ucciderti in un modo completamente diverso, attraverso il pericolo di inalazione”.
Secondo il patologo della NASA Ames Research Center Russell Kerschmann, “la polvere lunare, essendo un composto di silicio come il quarzo, è estremamente fine e abrasiva, quasi come un vetro in polvere, e respirata nei polmoni, possono incastrarsi profondamente nelle minuscole sacche alveolari e condotti in cui vengono scambiati ossigeno e anidride carbonica.
“In primo luogo, dobbiamo risolvere quei problemi minori e ottenere alcuni habitat che sono realmente autosufficienti e in grado di supportare le persone per un lungo periodo senza che nessuno di loro impazzisca dal vivere in totale isolamento. Molte persone stanno prendendo in considerazione la terraformazione di altri pianeti, ma mi piace risolvere cose che possono mostrare risultati presto, il che per MIS significa che vale la pena lavorare per ottenere capacità produttive che possano utilizzare le risorse locali in modo che i sistemi siano un circuito chiuso. Queste sono le cose che mi interessano e in realtà pagheranno in futuro “, ha commentato, e ha anche suggerito che nel futuro a lungo termine, le olonie spaziali che usano materiali asteroidi per fornire l’essenziale, è uno degli ibridi più interessanti approcci da considerare.
” Tutte queste cose fanno parte dell’iterazione sulla nostra road map tecnologica, che è un processo collaborativo in costante revisione. È fondamentale capire che persone diverse in molti settori hanno davvero bisogno di lavorare insieme e integrare le loro tecnologie per creare un portafoglio sostenibile davvero robusto in modo che possano essere utilizzate per il miglioramento dell’umanità “.
Realizzare parti nello spazio con AMF
Quest’anno MIS inizierà a utilizzare il loro sistema di riciclaggio dei polimeri commerciali (CPRS) nello spazio. Dopo essere stato lanciato sulla ISS, ci vorranno rifiuti di plastica, come parti di polimeri e sacchetti di plastica, e trasformeremo il materiale in eccesso e i rifiuti di plastica in materie prime uniformi per stampanti 3D, portando la sostenibilità a un livello completamente nuovo e una fuori-di-questo -esperienza mondiale
Con così tanti progetti sui lavori, se gli umani riusciranno mai a vivere nello spazio, sembra che MIS avrà la tecnologia necessaria per materializzare pienamente il sogno, uno che è iniziato quasi dieci anni fa quando Mike Snyder, Aaron Kemmer, Jason Dunn, e Mike Chen, fondò la compagnia sperando che forse in futuro gli umani potessero vivere nello spazio. Oggi, la loro missione principale è di consentire all’umanità di diventare una specie multi-planetaria, e per questo, avremo bisogno di una capacità manifatturiera significativa.
“Non vogliamo inventare la ruota, non è necessario, vogliamo utilizzare i sistemi disponibili in commercio quando possibile e integrarli in piattaforme che sono in grado di spazio. Quindi, quando si tratta di vivere a lungo, sia in LEO che alla fine su Luna e Marte, vogliamo essere lì e stiamo realizzando sistemi compatibili per quegli ambienti “, ha concluso Snyder.
Il nostro sistema solare è un posto stimolante per gli esseri umani, ma parte dell’obiettivo dell’azienda è ridurre i rischi e renderlo più ospitale, e questo è un passo alla volta.