Immergiti nella stampa 3D in Microgravity per l’esplorazione futura dello spazio
Gli straordinari vantaggi di un laboratorio senza peso hanno affascinato gli scienziati per decenni. Questo perché l’osservazione di fenomeni e processi in condizioni di microgravità può aiutare a preparare il campo per le esplorazioni umane nello spazio profondo e fornire conoscenze per migliorare la qualità della vita sulla Terra. Microgravity offre un ambiente ideale per esplorare le basi di molti tipi di ricerca scientifica e può contenere la chiave per sbloccare il pieno potenziale della stampa 3D. Senza la distorsione sperimentata sulla Terra, gli investigatori possono ottenere informazioni sul funzionamento interno dei sistemi fisici e biologici, portando al progresso della tecnologia di produzione additiva (AM) in orbita.
Per anni i ricercatori hanno condotto studi sulla microgravità. Prima che il Laboratorio spaziale nazionale della Stazione Spaziale Internazionale (ISS) diventasse una piattaforma per la ricerca in orbita, le agenzie spaziali si affidavano esclusivamente ad altri mezzi. Questi includevano torri di caduta, voli spaziali suborbitali, simulatori di microgravità artificiale e, in particolare, voli parabolici sulla Terra che possono essere regolati per consentire gravità zero o livelli di gravità ridotti come quelli che si trovano sulla superficie della Luna o di Marte. Molte di queste opzioni innovative e praticabili esistono dagli anni ’50, ma sono limitate solo a brevi intervalli continui di microgravità che possono durare solo pochi secondi.
L’unico laboratorio di microgravità permanentemente occupato a bordo della ISS ha permesso ai ricercatori e all’equipaggio spaziale di svolgere centinaia di ore di esperimenti, dimostrando teorie e rivelando fenomeni precedentemente inspiegabili. Hanno persino fatto i primi passi verso la realizzazione dei requisiti per una stazione di stampa 3D a microgravità su richiesta al largo della Terra.
L’ISS fornisce un prezioso punto di partenza per spingere il potenziale della tecnologia di stampa 3D per lo spazio. Secondo Kirt Costello , Chief Scientist della ISS , “nello spazio non si ha la convezione guidata dalla galleggiabilità. Le cose calde non sorgono su quelle più fredde, quindi, molte volte, ciò può portare a scoperte quando si fa scienza dei materiali, in particolare riguardo alla fusione o alla lavorazione dei materiali. Quindi, ci sono stati progressi in cui le persone guardano nuovi materiali nello spazio e come formare materiali più forti e più vantaggiosi utilizzando la microgravità come uno dei fattori “.
Con una disponibilità estremamente limitata del supporto logistico terrestre, le capacità di stampa 3D potrebbero diventare una delle tecnologie più importanti nello spazio. Le missioni di volo spaziale oggi richiedono che la National Aeronautics and Space Administration (NASA) invii ogni anno più di 7.000 libbre di pezzi di ricambio alla ISS. Mentre altri 29.000 libbre di ricambi hardware per il volo spaziale sono immagazzinati a bordo della stazione e 39.000 attendono a terra, pronti a volare se necessario.
Questo sistema logistico potrebbe funzionare bene per un veicolo spaziale che orbita a 250 miglia sopra la Terra, ma per le future missioni sulla Luna, su Marte e oltre, questo non è semplicemente fattibile. Ci vogliono circa tre giorni perché un veicolo spaziale raggiunga la Luna e, a un costo di $ 10.000 per libbra, qualsiasi colonia lunare diventerebbe un’impresa molto costosa molto rapidamente. L’equipaggio spaziale dovrà creare i propri pezzi di ricambio, strumenti e materiali. Pertanto, è essenziale consentire la produzione su richiesta con materie prime comuni, con alcuni ricercatori che esplorano l’uso di una varietà di materiale di scarto riciclato a bordo come materia prima.
Prime stampanti 3D nello spazio
Fino ad ora, la stazione spaziale ha ricevuto diversi esperimenti di stampa 3D e piattaforme di sistemi di stampa 3D. Nell’autunno del 2014, la NASA e Made In Space (MIS) hanno eseguito la prima dimostrazione di produzione in orbita utilizzando una stampante FFF (Fused Filament Fabrication) nell’ambito della missione di dimostrazione della tecnologia 3D Printing in Zero-G. Una volta installata nel Glovebox Microgravity Science della ISS, una struttura sigillata per le indagini, la stampante è stata impostata per funzionare immediatamente, persino sfornando la prima chiave inglese stampata in 3D sulla ISS dal comandante Barry ” Butch ” Wilmore .
L’obiettivo principale della missione era dimostrare le funzioni operative critiche della stampante, nonché valutare l’impatto della microgravità sui risultati dei materiali con il processo FFF producendo articoli per test delle proprietà meccaniche e strumenti funzionali e, infine, dimostrare il comando remoto. Secondo l’analisi della NASA, dopo un esperimento di ricerca comparativa di quattro anni in cui l’agenzia spaziale ha fabbricato strumenti e altri oggetti sia a bordo della ISS che in microgravità simulata utilizzando stampanti 3D sulla Terra, tutti gli oggetti hanno funzionato ugualmente bene. In effetti, nello studio pubblicato, i ricercatori non hanno notato effetti di microgravità significativi sui risultati materiali nel modello basato sulla fisica del processo FFF.
La missione di stampa 3D ha dimostrato con successo il primo passo verso la produzione nello spazio. Tuttavia, MIS ha continuato a portare avanti la sua visione della produzione off-Earth lanciando un altro impianto di stampa commerciale. Questa volta, l’Additive Manufacturing Facility (AMF) della società ha raggiunto l’orbita nel marzo 2016 e ha già prodotto in modo additivo più di 100 parti singole per una varietà di clienti commerciali e privati, utilizzando tre diversi polimeri: plastica ABS, bioplastica di polietilene verde e spazio- capace PEI / PC di plastica.
Un multi-strumento stampato in 3D, progettato dagli studenti del programma Future Engineers, galleggia di fronte all’Additive Manufacturing Facility sulla Stazione Spaziale Internazionale. Immagine per gentile concessione della NASA
Sfruttare la stampa 3D per gli sviluppi spaziali è l’ultimo utilizzo della tecnologia. Sulla Terra, AM compete con piattaforme di produzione più vecchie e consolidate. Nello spazio, la stampa 3D può diventare la prima piattaforma di produzione più affidabile ed economica in una dimensione commerciale completamente nuova. La stampa 3D nello spazio è una tecnologia abilitante che è fondamentale per l’esplorazione umana oltre l’ambiente dell’orbita terrestre bassa (LEO). Con alcune modifiche ai sistemi chiave, MIS è stato in grado di dimostrare che l’AM con le macchine basate sull’estrusione funziona in modo simile in microgravità come sul terreno, consentendo una prova completa del concetto.
Tuttavia, sulla base dell’esperienza di MIS, l’utilizzo di materie prime polimeriche per l’AM in orbita non mostra differenze sostanziali nel prodotto finale rispetto alla produzione terrestre. Sebbene ciò sia utile per prevedere cosa può essere prodotto in orbita, gli scienziati ritengono che la mancanza di differenze strutturali utilizzando materie prime polimeriche possa anche limitare il potenziale di vantaggi in termini di prestazioni dei materiali per l’AM nello spazio.
In alternativa, questo non è il caso dei metalli. Il metallo AM in microgravità cambia la microstruttura e la porosità del prodotto. Un gruppo di esperti che ha discusso i vantaggi e i limiti della produzione nello spazio durante il workshop virtuale sulla produzione additiva nello spazio del 2020 , organizzato dal Center for the Advancement of Science in Space (CASIS) – manager dell’ISS US National Laboratory – ha stabilito che, in la microgravità, la mancanza di miscelazione guidata dalla convezione nel bagno di fusione influisce sulla miscelazione / omogeneità elementare della composizione durante la deposizione, nonché sulle velocità di raffreddamento. Pertanto, gli studi dovrebbero considerare i sistemi a filo metallico (come per la deposizione diretta di energia) o i sistemi di filamenti polimerici, insieme a ” mezzi misti”Prodotti, come plastica rinforzata con fibre o ceramiche rinforzate con fili metallici.
“Se vogliamo stabilire una presenza sostenibile al di fuori della Terra, dobbiamo inventare nuovi materiali o dobbiamo adattare i vecchi materiali da utilizzare e ridurre in un ambiente di microgravità, con particolare attenzione all’ambiente”, ha spiegato il Progetto NASA Direttore Jennifer Edmunson. “Quindi, se vogliamo qualcosa che sopravviva sulla superficie lunare, deve essere preparato a far fronte a termosifoni, radiazioni, impatto con micrometeore e superficie lunare caricata elettrostaticamente. Se i nuovi materiali possono sopravvivere nell’ambiente lunare, molto probabilmente saranno in grado di prosperare abbastanza bene sulla Terra “.
Gli esperti ritengono che siano necessari nuovi approcci alla produzione nello spazio laddove i sistemi terrestri non si traducono prontamente in condizioni di microgravità. Apertura di nuove opzioni per materie prime, inclusi materiali morbidi come elastomeri, schiume e gomme; inchiostri a bassa viscosità; nuove opzioni polimeriche come termoindurenti con tempi di polimerizzazione più lunghi, sistemi polimerici caricati, rinforzo in fibra continua e polimeri semicristallini. Inoltre, è necessario studiare come i materiali in situ si tradurranno in materie prime AM idonee, in particolare per l’utilizzo delle risorse in situ in altri corpi planetari, dove gli equipaggi spaziali possono aspettarsi di trovare materiali di tipo regolite che potrebbero avere il potenziale per diventare Materiali per la stampa 3D.
Sebbene l’ISS National Lab sia un ambiente ideale per esplorare le possibilità della stampa 3D in condizioni di microgravità, ci sono ancora molte domande senza risposta. Fino ad ora, approcci collaborativi e innovativi tra agenzie spaziali e aziende private hanno consentito all’AM di prosperare nello spazio. Man mano che le iniziative di insediamento umano si espandono, mirando principalmente a esplorare più superficie lunare che mai, questo laboratorio orbitale unico sarà essenziale per capire come gli esseri umani possono vivere in orbita in modo sostenibile per lunghi periodi di tempo.
