Druk 3D w kosmosie

W jaki sposób druk 3D wykorzystywany jest podczas misji kosmicznych już dziś, a jak może zmienić codzienność pracy astronautów w przyszłości? Czy druk 3D umożliwi kosmiczną turystykę? Z jakimi przeszkodami będą musieli zmierzyć się naukowcy badający druk addytywny na orbicie? Dowiedz się więcej z nami. Jeśli dopiero zaczynasz swoją przygodę z technologią addytywną, sprawdź najpierw, czym właściwie jest druk 3D i jak działa.

Druk 3D w kosmosie

Druk 3D w kosmosie to nie fikcja, a rzeczywistość. Prace nad wykorzystaniem druku 3D w kosmosie trwają od 2014 roku, kiedy na ISS znalazła się pierwsza drukarka Made in Space. Obecnie technologia druku przestrzennego na dla przemysłu kosmicznego jest rozwijana zarówno na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej, jak i na powierzchni naszej planety. Jakie wyzwania są związane z drukiem 3D w stanie nieważkości? Do czego astronauci wykorzystują druk 3D? Tłumaczymy.

Zastosowania druku 3D w przemyśle kosmicznym

Druk 3D jest wykorzystywany w przemyśle kosmicznym zarówno w laboratoriach na powierzchni Ziemii, jak i na orbicie na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS). Ogólnie mówiąc, zastosowanie druku 3D może mieć na celu:

• ulepszanie satelit i statków kosmicznych,
• zaspokajanie potrzeb astronautów na orbicie,
• zmniejszanie negatywnego wpływu misji kosmicznych na środowisko.

Dzięki manufakturze addytywnej, misje kosmiczne stają się bezpieczniejsze i bardziej opłacalne, a astronauci bardziej samowystarczalni. Druk 3D zmniejsza też ilość odpadów generowanych przez stacje kosmiczne.

Zastosowania druku 3D w planowaniu misji kosmicznych

Druk 3D jest wykorzystywany jest jeszcze przed wyruszeniem misji w kosmos. Od opracowywania i testowania rozwiązań, które mają być w przyszłości powielane w warunkach mikrograwitacji, po projektowanie elementów satelit i statków, które trafią w kosmos, zastosowania druku 3D w przemyśle kosmicznym badane na Ziemii to m.in:

Nowe materiały

Technologie obróbki 3D dają możliwość wykorzystania materiałów takich jak stopy tytanu, aluminium, inconel - stop niklu i chromu, które są wyjątkowo odporne na utlenianie, korozję i ekstremalne temperatury. 3D Systems’ Application Innovation Group wykorzystuje stopy niklu i tytanu do tworzenia lżejszych, mniej skomplikowanych w budowie systemów grzewczych i chłodniczych na stacje kosmiczne. Do bardziej wymagających, wytrzymałych konstrukcji warto sięgnąć po filamenty inżynieryjne o podwyższonej odporności.

Nowe struktury i geometrie:

Druk 3D pozwala tworzyć lekkie, oszczędne i wytrzymałe geometrie, niemożliwe do skonstruowania przy użyciu tradycyjnych metod, które mogą posłużyć np. do konstruowania satelit. Badania pod tym kierunkiem prowadzone są m. in. przez Europejską Agencję Kosmiczną, w centrum ESTEC w Noordwijk w Holandii.

Wydajniejsze, lżejsze silniki rakietowe

Firma EOS stworzyła prototyp silnika rakietowego drukowanego w jednym procesie, LAUNCHER E-2, który został nagrodzony na US Air Force Space Pitch Day w 2019 roku. ArianeGroup zaprojektowała nową głowicę wtryskową do silnika rakietowego Ariane 6, która zamiast 248 części wykorzystuje jedną strukturę.

RelativitySpace przygotowuje się do wystrzelenia rakiety Terran R z silnikiem Aeon R drukowanym w technologii 3D. W tym celu firma wykorzystała specjalnie wyprodukowaną w tym celu drukarkę Stargate 3D. Początkowo plany RelativitySpace obejmowały wydrukowanie w technologii 3D całej rakiety, jednak te plany zostały porzucone po nieudanym starcie rakiety Terran 1. Firma RelativitySpace zrezygnowała z pomysłu drukowania całej rakiety ponieważ Terran R jest znacznie większa niż Terran 1 i zastosowanie druku 3D do konstrukcji kadłuba wydłużało produkcję, nie oferując przy tym wymiernych korzyści.

Kable optyczne

W ramach projektu „Flawless Space Fibers”, finansowanego przez ISS National Laboratory i realizowanego przy wsparciu Luksemburskiej Agencji Kosmicznej, Uniwersytetu w Adelajdzie w Australii oraz programu InSpace Production Applications (InSPA) agencji NASA, na ISS produkowane są kable optyczne ZBLAN. Badania wykazały już, że kable optyczne drukowane technologii 3D w kosmosie mogą mieć wyższą jakość niż produkowane na Ziemi ze względu na wyeliminowanie błędów powodowanych przez grawitację.

Druk 3D na orbicie

Ze względu na poważnie ograniczony udźwig statków kosmicznych oraz ogromne koszty związane z realizacją misji kosmicznych, astronauci nie mogą w prosty i szybki sposób otrzymać dodatkowych dostaw w sytuacjach awaryjnych. Druk 3D ma ogromny potencjał by zaspokoić potrzeby astronautów w zakresie brakujących części czy narzędzi, także poprzez recykling zużytego ekwipunku lub opakowań, które będą przetwarzany na filament na miejscu. Jeśli chcesz spróbować druku addytywnego we własnym domu, sprawdź dostępne w naszym sklepie filamenty do drukarek 3D.

Naprawy i części zamienne drukowane w 3D na żądanie

Podczas długich misji kosmicznych mogą pojawić się nieoczekiwane sytuacje i usterki. Problemy mogą pojawić się także w przypadku nieprzewidzianego przedłużenia się misji i większego niż zaplanowany zużycia sprzętu. Produkcja części zamiennych oraz innych elementów do napraw na żądanie przy użyciu druku 3D ma uczynić misje kosmiczne bardziej bezpiecznymi i zmniejszyć zależność astronautów od dostaw z ISS. Nad drukiem części na żądanie na ISS pracują między innymi Redwire Corporation, Tethers Unlimited i NASA TechPort (przeważnie z wykorzystaniem plastiku). Europejska Agencja Kosmiczna jest pionierem wykorzystania metalu w druku 3D w kosmosie. Pierwsza drukarka drukująca z użyciem metalu opracowana przez ESA i Airbus pojawiła się na ISS w 2024 roku.

Recykling narzędzia i przedmioty codziennego użytku

W 2018 roku na ISS pojawił się Refabricator, opracowany przez Tethers Unlimited Inc. Ta drukarka 3D wykorzystująca plastik może też przetwarzać zużyte wydruki z powrotem na filament. To pozwala ponownie wykorzystywać zużywających się przedmiotów takich jak sztućce czy narzędzia takie jak klucze.

Nad drukiem z plastiku w kosmosie nadal pracuje także Redwire, dawniej Made in Space, firma odpowiedzialna za pierwszą drukarkę 3D która znalazła się na orbicie.

Biodruk i produkcja leków

Produkcja leków z użyciem technologii 3D ma potencjał znaleźć zastosowanie podczas misji kosmicznych, czego dowodzą Seoane-Viaño I, Ong JJ, Basit AW, Goyanes A. w opracowaniu To infinity and beyond: Strategies for fabricating medicines in outer space. (W kierunku nieskończoności i jeszcze dalej: Strategie wytwarzania leków w przestrzeni kosmicznej.) opublikowanym w International Journal of Pharmaceutics: X w 2022 roku. Autorzy pracy wskazują na unikalne zagrożenia dla zdrowia związane z narażeniem na efekty mikrograwitacji, promieniowania, efekty na psychikę związane z izolacją i zamknięciem, a także na problemy dotyczące dostaw: niemożliwych do przeprowadzenia z Ziemi na misji na Marsie lub dalszych, oraz ograniczony okres ważności leków w porównaniu z długością odległych lotów kosmicznych. Potrzebne będą jednak dalsze badania w celu ustalenia czy leki mogą być bezpiecznie produkowane w warunkach mikrograwitacji i jak promieniowanie kosmiczne będzie wpływać na przechowywanie leków oraz ich składników. Więcej o tym, jak technologia addytywna zmienia ochronę zdrowia, przeczytasz w naszym artykule o zastosowaniach druku 3D w medycynie.

Biodruk organów i tkanek nadal jest we wczesnym stadium badań, nawet na ziemii. Prowadzenie eksperymentów na ISS pozwala jednak obejść jedną z głównych przeszkód w rozwoju technologii: grawitację. Firma BioTech Inc stworzyła BioFabrication Facility - pierwszą biodrukarkę pozwalającą drukować tkanki w mikrograwitacji bez struktur wspierających. Biodrukara BFF jest także wyposażona w system, który ma pozwolić na wzrost i wzmocnienie drukowanych komórek. W 2023 roku za pomocą BFF wydrukowana została łękotka z kolana. Ta technologia może umożliwić przeprowadzanie operacji w kosmosie i zredukować zużycie leków, ale bierze się pod uwagę także transportowanie drukowanych na ISS tkanek na ziemię. Technologia ta otwiera podobne możliwości jak w przypadku biodruku i protetyki, opisywanej na naszym blogu.

Budowa baz kosmicznych na powierzchni Księżyca i Marsa

Druk 3D może w przyszłości posłużyć do budowania habitatów na powierzchni innych planet. Nasa wraz z ICON, BIG i SEArch+ współpracują przy projekcie Olympus, który ma umożliwić przetwarzanie regolitu - luźnej, wietrznej skały na zebranej z powierzchni księżyców lub planet. Ten projekt ma przełamać blokady związane z potencjalnymi kosztami transportu materiałów i maszyn do budowy w kosmosie. Wielkogabarytowy druk addytywny rozwija się także na Ziemi — przeczytaj o największych drukarkach 3D na świecie i ich zastosowaniach.

Zalety druku 3D w kosmosie - dlaczego drukowanie w przestrzeni kosmicznej jest ważne?

Druk 3D ma potencjał rozwiązać szereg problemów, z którymi boryka się przemysł kosmiczny, od optymalizacji istniejących procesów po otwarcie drzwi na nowe możliwości:

• Zoptymalizowane dostawy: możliwość druku niezbędnego ekwipunku na ISS pozwala zmniejszyć obciążenie transportów, co według danych firmy AMFG Autonomous Manufacturing przekłada się na oszczędność 10 tys. dolarów na każdy kilogram odciążenia,
• Szybsza produkcja, składanie i serwis urządzeń: urządzenia i komponenty drukowane w technologii 3D dla przemysłu kosmicznego mają znacznie mniej części niż ich odpowiedniki wytwarzane tradycyjnymi metodami, co przyspiesza produkcję, obniża koszty, ułatwia składanie urządzeń także na orbicie,
• Minimalizowanie odpadów: recykling surowców na materiały do druku 3D może znacznie zredukować kosztowny i niebezpieczny problem kosmicznych odpadów,
• Niezależność i bezpieczeństwo dla astronautów: druk 3D ma umożliwić przeprowadzanie napraw, także w nieprzewidzianych sytuacjach, wymianę narzędzi i przedmiotów codziennego użytku dla astronautów, a także potencjalnie drukowanie jedzenia, leków, a nawet żywych tkanek które pomogą astronautom zaspokajać potrzeby związane ze zdrowiem i reagować lepiej w razie chorób lub uszkodzeń ciała podczas misji,
• Rozwój podróży międzygwiezdnych oraz kosmicznej turystyki: trwają prace nad wykorzystaniem druku 3D do budowania kosmicznych habitatów, produkcji leków i żywności, co może umożliwić misje w rejony kosmosu, do których dotarcie było dotychczas niemożliwe, oraz przybliżyć perspektywę turystyki w kosmosie.

Wyzwania dla druku 3D w kosmosie

Choć druk 3D w kosmosie ma ogromne możliwości, mierzy się z poważnymi wyzwaniami. Problemy te wynikają zarówno ze druku 3D jako metody manufaktury, jak i z wymagań niezwykle restrykcyjnych przepisów i procedur przemysłu kosmicznego.

Unikalne warunki atmosferyczne i grawitacyjne:

Nawet najprostsze druki w warunkach panujących na Ziemi, gdzie technologia druku 3D powstała, mogą się nie udać przy drobnych zmianach warunków atmosferycznych lub ustawień temperatury.

Mniejsze oddziaływanie grawitacji, które usprawnia niektóre procesy druku addytywnego na orbicie, jak biodruk lub druk kabli optycznych, stwarza problemy w bardziej “tradycyjnych” metodach druku 3D, takich jak druk FDM z termoplastycznych polimerów. Do pierwszych projektów na drukarce FDM najlepiej sprawdzą się popularne filamenty PLA. Grawitacja jest potrzebna, aby warstwy filamentu mogły się ze sobą scalić - w warunkach zmniejszonej grawitacji powstaje ryzyko błędów i problemów strukturalnych. Część wyzwań, takich jak błędy scalania warstw przy druku FDM, znana jest też z codziennej pracy — więcej o najczęstszych problemach w druku 3D piszemy w osobnym poradniku. Podobnie jest z ciśnieniem atmosferycznym i temperaturą. NASA opracowuje drukarki działające w komorach podciśnieniowych, co częściowo rozwiązuje problem, ale stwarza ograniczenia dla sprzętu.

Brak odpowiednich przepisów i procedur testowych

Integracja druku 3D w gałęzie przemysłu, które wymaga ścisłej kontroli jakości, bezpieczeństwa i procedur, zawsze napotyka na przeszkody prawne. Dotyczy to szczególnie przemysłu kosmicznego, jako że nawet najmniejszy błąd może mieć katastroficzne konsekwencje. Jednak przepisy dostosowują się do rozwoju technologii bardzo powoli, co opóźnia wdrażanie nowych rozwiązań.

Problemy z planowaniem dostaw

Wbrew pozorom, druk 3D może komplikować planowanie dostaw na stacje kosmiczne. Powstaje pytanie: “Co trzeba spakować, a co można wydrukować?” które rodzi potrzebę dodatkowych testów i obliczeń. Drukarki 3D mogą się zepsuć w kosmosie, co wskazuje na konieczność skompletowania i spakowania wyposażenia do naprawy tych urządzeń: w końcu jak można wydrukować części zamienne, jeśli służąca do tego drukarka jest zepsuta?

Podsumowanie - znaczenie druku 3D dla przemysłu kosmicznego

Druk 3D ma ogromne znaczenie dla rozwoju przemysłu kosmicznego, czego dowodzą prowadzone już od ponad 12 lat badania nad drukiem addytywnym na orbicie. Większość procesów, które mają być wykorzystywane do druku 3D w kosmosie pozostaje jednak w fazie badań i nie ma jeszcze masowego zastosowania. Naukowcy pracujący nad dostosowaniem procesów druku addytywnego do potrzeb przemysłu kosmicznego muszą pokonać szereg wyzwań, związanych głównie z restrykcyjnymi przepisami dotyczącymi przydatności ekwipunku do misji kosmicznych, ale także ze specyfiką druku 3D, który działa w oparciu o warunki panujące na Ziemi.

Źródła:

• https://www.esa.int/Enabling_Support/Space_Engineering_Technology/Ten_ways_3D_printing_could_change_space
• https://www.nasa.gov/missions/station/iss-research/3d-printing-saving-weight-and-space-at-launch/
• https://www.tumblr.com/nasa/633604321657896960/tomorrows-technology-on-the-space-station-today?source=share
• https://www.amfg.ai/post/3d-printing-in-space-a-guide-to-lunar-and-orbital-additive-manufacturing
• https://www.3dnatives.com/en/top-10-3d-printing-space/
• https://www.3dnatives.com/en/a-3d-bioprinter-on-board-the-iss-the-future-of-space-medicine-181020244/
• https://www.eos.info/industries/space
• https://mstri.ca/updates/out-of-this-world-medicine-the-promise-of-3d-bioprinting-in-space
• https://aerospacetoday.net/revolutionizing-the-industry-relativity-space-leaves-dogma-behind-for-terran-r/
• https://parametric-architecture.com/3d-printing-on-moon-project-olympus/
• https://www.esa.int/Science_Exploration/Human_and_Robotic_Exploration/ESA_launches_first_metal_3D_printer_to_ISS
• https://big.dk/projects/nasa-olympus-7493
• https://www.ediweekly.com/the-challenges-of-3d-printing-or-manufacturing-in-space-without-gravity-to-help-it-all-stick/