Un motore da 5,4 kN porta il team australiano al primo posto nella categoria LOX Bipropellant
Un motore a razzo a propellente liquido sviluppato da tre studenti della University of Melbourne, con il supporto tecnologico di CSIRO, ha conquistato il primo posto nella categoria LOX Bipropellant della competizione internazionale Race2Space 2026 nel Regno Unito. Il propulsore, soprannominato Slinky, è stato realizzato utilizzando la produzione additiva metallica e integra all’interno della camera di combustione una rete di microcanali destinata al raffreddamento rigenerativo.
Il risultato ha un interesse particolare per il settore della manifattura additiva perché non riguarda un semplice componente dimostrativo. Slinky è un motore a razzo funzionante, sottoposto a una serie di accensioni a caldo presso infrastrutture professionali di prova. Nel corso della campagna britannica il propulsore ha completato cinque accensioni stabili nello stesso giorno, raggiungendo una spinta massima di 5,4 kN.
Il progetto è stato realizzato dagli studenti Jack Gardiner, Brooke Doolan e Stuart Davis, iscritti ai corsi magistrali di ingegneria aerospaziale e meccanica della University of Melbourne. Il lavoro rientra nelle attività della Aerospace and Rocket Engineering Society, ARES, il gruppo universitario che sviluppa razzi, sistemi propulsivi e tecnologie aerospaziali attraverso programmi gestiti direttamente dagli studenti.
Alla produzione del motore ha contribuito CSIRO Lab22, il centro australiano specializzato nella manifattura additiva metallica. Un ruolo tecnico è stato svolto anche da Nikon SLM Solutions, attraverso la piattaforma di fusione laser a letto di polvere utilizzata per costruire il componente, mentre il programma iLAuNCH Trailblazer ha sostenuto l’infrastruttura tecnologica impiegata dal laboratorio.
Un motore grande quanto un ananas e pesante circa sei chilogrammi
Slinky ha dimensioni relativamente contenute. Il motore pesa circa 6 kg e, secondo la descrizione fornita da CSIRO, presenta dimensioni paragonabili a quelle di un grande ananas.
Dietro questa apparente semplicità si trova però un sistema termomeccanico complesso. La camera di combustione deve infatti contenere gas a temperatura elevatissima e contemporaneamente trasferire la spinta generata senza subire deformazioni o cedimenti.
Il motore utilizza ossigeno liquido, LOX, come ossidante e isopropanolo, IPA, come combustibile. Durante il funzionamento i propellenti vengono inviati verso l’iniettore, miscelati e bruciati all’interno della camera di combustione. L’espansione dei gas attraverso l’ugello produce quindi la spinta.
La configurazione sviluppata dagli studenti è stata progettata intorno a una spinta nominale dell’ordine dei 5 kN. Durante le prove britanniche il sistema è stato portato fino a circa il 125% del livello di spinta previsto, arrivando a un massimo misurato di 5,4 kN.
Per un progetto universitario non è importante soltanto raggiungere il valore massimo. Uno degli elementi più interessanti dei test è stata la capacità di ripetere l’accensione senza dover smontare o ricondizionare il motore tra una prova e quella successiva.
Le cinque accensioni sono state completate nell’arco della stessa giornata e hanno incluso anche prove di regolazione della spinta. Al termine della campagna il propulsore risultava ancora utilizzabile, permettendo al gruppo di raccogliere dati destinati alle successive fasi di sviluppo.
Il raffreddamento rigenerativo al centro del progetto
Uno dei principali problemi di un motore a razzo a propellente liquido riguarda la gestione del calore.
Le temperature raggiunte dai gas nella camera di combustione possono superare rapidamente i limiti sopportabili dai materiali metallici. La parete della camera deve quindi essere raffreddata durante il funzionamento.
Slinky utilizza un sistema di raffreddamento rigenerativo. Prima di raggiungere l’iniettore e partecipare alla combustione, il combustibile viene fatto circolare attraverso piccoli canali ricavati direttamente all’interno delle pareti della camera.
Il liquido assorbe una parte del calore proveniente dalla combustione e contribuisce così a mantenere sotto controllo la temperatura del componente. Una volta attraversati i canali, il combustibile viene indirizzato verso l’iniettore e utilizzato nel normale ciclo propulsivo.
È una soluzione ampiamente utilizzata nei motori professionali, ma complessa da realizzare attraverso lavorazioni convenzionali, soprattutto quando le dimensioni dei canali diminuiscono e la geometria diventa più articolata.
In una costruzione tradizionale possono essere necessari numerosi componenti separati, lavorazioni meccaniche, tubazioni, camicie esterne e operazioni di brasatura o saldatura. Ogni interfaccia introduce inoltre tolleranze e possibili punti critici.
La produzione additiva permette invece di progettare camera di combustione e circuito di raffreddamento come un sistema fortemente integrato.
Microcanali stampati direttamente nella camera di combustione
Il contributo più importante della stampa 3D in Slinky riguarda proprio questi passaggi interni.
I microcanali di raffreddamento sono incorporati nella parete della camera e vengono prodotti durante la stessa sequenza di fabbricazione del componente. Non devono quindi essere costruiti separatamente e successivamente assemblati.
La geometria può essere progettata attraverso strumenti di calcolo e modellazione numerica tenendo conto del flusso termico, della distribuzione delle temperature, delle perdite di pressione e delle sollecitazioni meccaniche.
Secondo Dr Cherry Chen, Senior Research Scientist di CSIRO e responsabile del team coinvolto nel progetto, la produzione additiva consente di collocare i percorsi di raffreddamento in zone che sarebbero difficili da raggiungere utilizzando tecniche produttive convenzionali.
Per un motore a razzo questo significa poter avvicinare il refrigerante alle superfici maggiormente sottoposte al calore e modificare forma e dimensione dei canali in funzione delle condizioni previste nei diversi punti della camera.
La stampa 3D metallica non elimina però la necessità di un accurato lavoro ingegneristico. La realizzazione di canali interni di piccola sezione impone di controllare orientamento del pezzo, parametri del laser, rimozione della polvere, qualità superficiale, deformazioni termiche e trattamenti successivi.
È proprio su questi aspetti che CSIRO Lab22 ha affiancato gli studenti della University of Melbourne.
Il ruolo di CSIRO Lab22 nella produzione di Slinky
CSIRO, Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation, è l’agenzia scientifica nazionale australiana. Il suo centro Lab22, situato a Clayton nello Stato di Victoria, è specializzato nello sviluppo e nell’applicazione industriale delle tecnologie di additive manufacturing.
Per Slinky, gli specialisti di Lab22 hanno fornito supporto nella scelta del materiale, nell’analisi del comportamento meccanico, nella progettazione specifica per la produzione additiva e nelle lavorazioni successive alla stampa.
Il componente principale è stato prodotto utilizzando un sistema Nikon SLM Solutions 280 2MA, una piattaforma industriale basata sulla tecnologia Laser Powder Bed Fusion, LPBF.
Nel processo LPBF un sottile strato di polvere metallica viene distribuito sulla piattaforma di costruzione. Uno o più laser fondono selettivamente le aree corrispondenti alla sezione del modello digitale. La piattaforma si abbassa quindi di una frazione di millimetro, viene distribuito un nuovo strato di polvere e il processo viene ripetuto.
Migliaia di strati successivi permettono di produrre geometrie tridimensionali che attraverso fresatura, tornitura o fusione sarebbero estremamente difficili da realizzare come singolo pezzo.
L’impianto utilizzato da CSIRO è collegato anche alle attività del programma iLAuNCH Trailblazer, iniziativa australiana dedicata allo sviluppo di tecnologie avanzate per i settori aerospaziale e spaziale.
Una lega di rame CuCr1Zr per gestire il calore
Per la produzione di Slinky è stata scelta la lega di rame CuCr1Zr, composta principalmente da rame con aggiunte di cromo e zirconio.
La scelta non è casuale. Il rame presenta un’elevata conducibilità termica e permette quindi di trasferire rapidamente il calore dalla superficie interna della camera verso i canali attraversati dal combustibile refrigerante.
Le leghe CuCr1Zr consentono di mantenere una buona conducibilità termica migliorando al tempo stesso alcune proprietà meccaniche rispetto al rame puro.
La produzione additiva di leghe di rame rappresenta tuttavia una sfida tecnica. L’elevata conducibilità termica disperde rapidamente l’energia fornita dal laser e alcune leghe riflettono una parte significativa della radiazione utilizzata nel processo.
Il controllo dei parametri di fusione diventa quindi determinante per ottenere una densità adeguata e limitare porosità, difetti e deformazioni.
Per Slinky, l’esperienza di CSIRO Lab22 nella lavorazione additiva dei metalli ha consentito agli studenti di utilizzare un materiale e una tecnologia normalmente associati a programmi aerospaziali industriali.
Nikon SLM Solutions e la piattaforma SLM 280
La macchina utilizzata per il progetto è prodotta da Nikon SLM Solutions, società specializzata nei sistemi industriali per la produzione additiva metallica.
La piattaforma SLM 280 2MA installata presso CSIRO Lab22 fa parte delle infrastrutture utilizzate in Australia per ricerca, sviluppo e produzione di componenti complessi destinati anche al settore aerospaziale.
La stessa famiglia di tecnologie viene studiata per applicazioni come camere di combustione, scambiatori di calore, strutture satellitari e componenti nei quali sia necessario integrare funzioni termiche e meccaniche all’interno di geometrie compatte.
Il rapporto tra produzione additiva e propulsione spaziale è particolarmente stretto perché un motore a razzo contiene numerosi componenti nei quali massa, gestione termica, resistenza e complessità geometrica devono essere ottimizzate simultaneamente.
La possibilità di ridurre il numero delle parti può inoltre diminuire il numero di saldature e giunzioni da verificare.
MCHND e Fluid Seals nella fase di completamento del motore
La produzione di un componente attraverso LPBF non termina necessariamente quando il pezzo viene estratto dalla macchina.
Slinky ha richiesto operazioni successive alla stampa. MCHND Pty Ltd, impresa australiana specializzata nelle lavorazioni meccaniche di precisione, ha collaborato alle operazioni di post-machining, intervenendo in particolare sulle superfici di tenuta.
Questa fase è importante perché alcune superfici funzionali di un motore a razzo richiedono tolleranze dimensionali e finiture che non possono essere affidate esclusivamente alla rugosità ottenuta direttamente dalla stampa.
Il progetto ha ricevuto inoltre il supporto di Fluid Seals Pty Ltd, azienda australiana attiva nel settore delle soluzioni di tenuta.
In un sistema che gestisce ossigeno liquido e combustibile sotto pressione, la qualità delle interfacce e delle tenute riveste un ruolo fondamentale. La stampa 3D costituisce quindi soltanto una parte di una catena produttiva che comprende progettazione, produzione additiva, lavorazioni meccaniche, componenti di tenuta, assemblaggio e verifica.
Sette mesi dal progetto alla prova a caldo
Secondo ARES, lo sviluppo di Slinky è stato completato in circa sette mesi.
Il dato permette di comprendere uno degli aspetti più interessanti della combinazione fra progettazione computazionale e produzione additiva.
Per un gruppo universitario, sviluppare un motore a propellente liquido con raffreddamento rigenerativo utilizzando tecniche tradizionali significherebbe affrontare una lunga serie di operazioni di produzione e assemblaggio.
Con la stampa 3D una parte della complessità viene trasferita dalla fabbrica al modello digitale.
Ciò non significa che il processo diventi semplice. Cambia piuttosto il luogo nel quale la complessità viene gestita: geometrie che richiederebbero numerose lavorazioni possono essere incorporate nel modello CAD, verificate attraverso simulazioni e quindi prodotte in un numero inferiore di componenti.
Il professor Richard Sandberg, Chair and Professor of Computational Mechanics alla University of Melbourne e supervisore del capstone project, ha indicato proprio l’integrazione tra progettazione computazionale e manifattura additiva come uno degli aspetti centrali dell’esperienza.
Race2Space porta i motori universitari su banchi prova professionali
Slinky è stato portato nel Regno Unito per partecipare a Race2Space 2026, competizione internazionale dedicata alla propulsione spaziale universitaria.
L’edizione 2026 si è svolta presso il Westcott Space Cluster, nel Buckinghamshire, dal 21 giugno al 10 luglio.
Alla manifestazione erano attesi 32 team e circa 250 studenti provenienti da oltre 20 Paesi.
Race2Space nasce con un’impostazione differente rispetto alle competizioni nelle quali l’obiettivo principale è lanciare un razzo e raggiungere una determinata quota. L’attenzione è concentrata sul sistema propulsivo e sulla sua prova a terra.
Gli studenti devono progettare e costruire il proprio motore e confrontarsi con una vera campagna di hot-fire, quindi con procedure operative, alimentazione dei propellenti, acquisizione dei dati, sicurezza, accensione e analisi delle prestazioni.
Per il progetto australiano questo ha significato poter sottoporre Slinky a una sequenza di prove controllate prima di tentare l’integrazione all’interno di un veicolo.
Airborne Engineering e le infrastrutture di prova
Le prove sono state effettuate utilizzando le strutture di Airborne Engineering Ltd, azienda britannica specializzata nello sviluppo e nella sperimentazione di sistemi propulsivi.
Il motore australiano è stato installato su una struttura di spinta in acciaio saldato appositamente progettata per interfacciarsi con gli impianti di Airborne Engineering.
È un aspetto che distingue Race2Space da molti normali progetti accademici. I team hanno accesso a infrastrutture professionali nelle quali possono verificare i motori senza dover costruire autonomamente l’intera catena di alimentazione e il banco prova.
Race2Space è sostenuta dalla UK Space Agency e nel 2026 ha ricevuto il supporto anche di organizzazioni come Advanced Research and Invention Agency, ARIA, Buckinghamshire Council e Nammo UK.
Dal 2023 al 2026 la competizione è passata da un gruppo limitato di università britanniche a una manifestazione internazionale, creando un collegamento diretto tra formazione universitaria e settore della propulsione spaziale.
Cinque accensioni senza interventi sul motore
Il risultato tecnico ottenuto durante Race2Space è probabilmente più significativo della semplice vittoria nella categoria.
Slinky ha completato cinque accensioni considerate pulite e stabili durante una sola giornata di prove. Fra un’accensione e la successiva non è stato necessario effettuare operazioni di ricondizionamento sul motore.
Il gruppo ha inoltre effettuato prove con variazione della spinta, portando il propulsore oltre la condizione nominale.
Questa serie di test fornisce informazioni sulla ripetibilità del processo di combustione, sull’efficacia del raffreddamento e sulla capacità della struttura stampata di sopportare più cicli termici.
Per una camera di combustione prodotta additivamente è un punto importante. Ogni accensione sottopone il materiale a un rapido aumento della temperatura, seguito dal raffreddamento. Ripetere il processo permette di iniziare a valutare la resistenza del componente ai carichi termici ciclici.
Naturalmente cinque accensioni non equivalgono alla qualificazione di un motore destinato al servizio operativo. Sono però sufficienti per dimostrare che l’architettura progettata dagli studenti può essere accesa, controllata e riutilizzata per più prove consecutive.
Dalla prova a terra a un possibile futuro volo
Il progetto non dovrebbe concludersi con Race2Space.
Brooke Doolan ha indicato l’obiettivo di utilizzare l’esperienza acquisita per sviluppare sistemi propulsivi più complessi all’interno di ARES, mentre il gruppo ha espresso l’intenzione di arrivare in futuro all’integrazione di Slinky in un razzo.
Il passaggio da un motore provato staticamente a un sistema destinato al volo comporta però ulteriori attività.
È necessario qualificare alimentazione, serbatoi, valvole, controllo, avionica e struttura del veicolo. Bisogna inoltre verificare che il motore possa funzionare nelle diverse condizioni incontrate durante la missione e che le sollecitazioni prodotte dal propulsore siano compatibili con il resto del razzo.
ARES sta già lavorando su altri programmi di propulsione e sul progetto Odyssey, destinato a sviluppare ulteriormente le capacità del gruppo nell’ambito dei sistemi propulsivi progettati dagli studenti.
Un esempio concreto del ruolo della stampa 3D nella propulsione spaziale
Il valore industriale di Slinky non deriva dal fatto che sia stato semplicemente “stampato in 3D”, ma dalle funzioni che la produzione additiva ha permesso di integrare.
Il raffreddamento rigenerativo richiede geometrie interne che devono seguire con precisione la camera di combustione. In questo tipo di applicazione la manifattura additiva può offrire un vantaggio diretto rispetto a una soluzione composta da numerosi elementi separati.
L’esperimento sviluppato da University of Melbourne, CSIRO Lab22, Nikon SLM Solutions, MCHND, Fluid Seals, con il supporto dell’infrastruttura iLAuNCH Trailblazer e le prove gestite presso Airborne Engineering, mostra inoltre che la produzione di un motore additivo richiede una filiera di competenze.
Il processo non consiste soltanto nel possedere una stampante metallica. Servono conoscenze di termofluidodinamica, combustione, materiali, progettazione per additive manufacturing, simulazione, lavorazioni meccaniche, gestione dei propellenti, sistemi di tenuta e test.
È proprio questa combinazione a rendere il progetto interessante per la formazione degli ingegneri.
Dalla ricerca universitaria a competenze utilizzabili nell’industria spaziale
Race2Space è stata concepita anche per ridurre la distanza tra formazione accademica e attività svolte nelle aziende della propulsione.
Gli studenti coinvolti non lavorano soltanto su simulazioni o piccoli prototipi. Devono gestire un sistema nel quale errori di progettazione, produzione o controllo diventano immediatamente visibili durante la prova a caldo.
Per la University of Melbourne e CSIRO il progetto permette quindi di utilizzare la manifattura additiva come strumento formativo oltre che produttivo.
Slinky dimostra che un gruppo composto da tre studenti, quando può accedere a competenze specialistiche e infrastrutture industriali, è in grado di sviluppare in pochi mesi un propulsore con caratteristiche che fino a pochi anni fa sarebbero state difficili da affrontare in un normale progetto universitario.
La vittoria nella categoria LOX Bipropellant rappresenta il risultato più visibile. Dal punto di vista tecnologico, però, il dato più interessante è un altro: un motore da circa sei chilogrammi con camera in lega di rame stampata in 3D e raffreddamento rigenerativo integrato ha completato cinque accensioni consecutive raggiungendo 5,4 kN di spinta.
È su risultati misurabili di questo tipo che può essere valutato il contributo della produzione additiva allo sviluppo della nuova generazione di sistemi propulsivi.
Questo articolo è stato redatto con il supporto di strumenti di intelligenza artificiale (AI)
