Des del segle XX, la raça humana ha estat fascinada per explorar l'espai i entendre què hi ha més enllà de la Terra. Grans organitzacions com la NASA i l'ESA han estat a l'avantguarda de l'exploració espacial, i un altre actor important en aquesta conquesta és la impressió 3D. Amb la capacitat de produir ràpidament peces complexes a baix cost, aquesta tecnologia de disseny és cada cop més popular entre les empreses. Fa possible la creació de moltes aplicacions, com ara satèl·lits, vestits espacials i components de coets. De fet, segons SmarTech, s'espera que el valor de mercat de la fabricació additiva de la indústria espacial privada arribi als 2.100 milions d'euros el 2026. Això planteja la pregunta: com pot la impressió 3D ajudar els humans a excel·lir a l'espai?
Inicialment, la impressió 3D s'utilitzava principalment per a la creació ràpida de prototips en les indústries mèdica, automobilística i aeroespacial. Tanmateix, a mesura que la tecnologia s'ha estès, s'utilitza cada cop més per a components d'ús final. La tecnologia de fabricació additiva metàl·lica, en particular l'L-PBF, ha permès la producció d'una varietat de metalls amb característiques i durabilitat adequades per a condicions espacials extremes. Altres tecnologies d'impressió 3D, com ara DED, aglomerant i procés d'extrusió, també s'utilitzen en la fabricació de components aeroespacials. En els darrers anys, han sorgit nous models de negoci, amb empreses com ara Made in Space i Relativity Space que utilitzen la tecnologia d'impressió 3D per dissenyar components aeroespacials.
Relativity Space desenvolupa una impressora 3D per a la indústria aeroespacial
Tecnologia d'impressió 3D en l'aeroespacial
Ara que ja les hem presentat, fem una ullada més detallada a les diverses tecnologies d'impressió 3D que s'utilitzen a la indústria aeroespacial. En primer lloc, cal destacar que la fabricació additiva metàl·lica, especialment l'L-PBF, és la més utilitzada en aquest camp. Aquest procés consisteix a utilitzar energia làser per fusionar pols metàl·lica capa per capa. És especialment adequat per produir peces petites, complexes, precises i personalitzades. Els fabricants aeroespacials també es poden beneficiar de la DED, que consisteix a dipositar filferro o pols metàl·lica i s'utilitza principalment per reparar, recobrir o produir peces metàl·liques o ceràmiques personalitzades.
En canvi, el jet d'aglomerant, tot i que avantatjós en termes de velocitat de producció i baix cost, no és adequat per produir peces mecàniques d'alt rendiment, ja que requereix passos d'enfortiment postprocessament que augmenten el temps de fabricació del producte final. La tecnologia d'extrusió també és eficaç en l'entorn espacial. Cal tenir en compte que no tots els polímers són adequats per al seu ús a l'espai, però els plàstics d'alt rendiment com el PEEK poden substituir algunes peces metàl·liques a causa de la seva resistència. Tanmateix, aquest procés d'impressió 3D encara no està gaire estès, però pot convertir-se en un actiu valuós per a l'exploració espacial mitjançant l'ús de nous materials.
La fusió per làser en pols (L-PBF) és una tecnologia àmpliament utilitzada en la impressió 3D per a l'aeroespacial.
Potencial dels materials espacials
La indústria aeroespacial ha estat explorant nous materials mitjançant la impressió 3D, proposant alternatives innovadores que poden revolucionar el mercat. Mentre que els metalls com el titani, l'alumini i els aliatges de níquel-crom sempre han estat el focus principal, un nou material aviat podria robar l'atenció: la regolita lunar. La regolita lunar és una capa de pols que cobreix la lluna, i l'ESA ha demostrat els beneficis de combinar-la amb la impressió 3D. Advenit Makaya, enginyer sènior de fabricació de l'ESA, descriu la regolita lunar com similar al formigó, principalment composta de silici i altres elements químics com el ferro, el magnesi, l'alumini i l'oxigen. L'ESA s'ha associat amb Lithoz per produir petites peces funcionals com ara cargols i engranatges utilitzant regolita lunar simulada amb propietats similars a la pols lunar real.
La majoria dels processos implicats en la fabricació de regolit lunar utilitzen calor, cosa que el fa compatible amb tecnologies com l'SLS i les solucions d'impressió en pols. L'ESA també utilitza la tecnologia D-Shape amb l'objectiu de produir peces sòlides barrejant clorur de magnesi amb materials i combinant-lo amb òxid de magnesi que es troba a la mostra simulada. Un dels avantatges significatius d'aquest material lunar és la seva resolució d'impressió més fina, que li permet produir peces amb la màxima precisió. Aquesta característica podria convertir-se en el principal actiu per ampliar la gamma d'aplicacions i fabricar components per a futures bases lunars.
El regolit lunar és a tot arreu
També hi ha la regolita marciana, que fa referència al material subterrani que es troba a Mart. Actualment, les agències espacials internacionals no poden recuperar aquest material, però això no ha impedit que els científics investiguin el seu potencial en certs projectes aeroespacials. Els investigadors utilitzen mostres simulades d'aquest material i el combinen amb aliatges de titani per produir eines o components de coets. Els resultats inicials indiquen que aquest material proporcionarà una major resistència i protegirà els equips de l'oxidació i els danys per radiació. Tot i que aquests dos materials tenen propietats similars, la regolita lunar continua sent el material més provat. Un altre avantatge és que aquests materials es poden fabricar in situ sense necessitat de transportar matèries primeres des de la Terra. A més, la regolita és una font de material inesgotable, cosa que ajuda a evitar l'escassetat.
Les aplicacions de la tecnologia d'impressió 3D a la indústria aeroespacial
Les aplicacions de la tecnologia d'impressió 3D en la indústria aeroespacial poden variar segons el procés específic utilitzat. Per exemple, la fusió amb llit de pols làser (L-PBF) es pot utilitzar per fabricar peces complexes a curt termini, com ara sistemes d'eines o peces de recanvi espacials. Launcher, una startup amb seu a Califòrnia, va utilitzar la tecnologia d'impressió 3D de safir-metall de Velo3D per millorar el seu motor de coet líquid E-2. El procés del fabricant es va utilitzar per crear la turbina d'inducció, que juga un paper crucial en l'acceleració i la conducció de LOX (oxigen líquid) a la cambra de combustió. La turbina i el sensor es van imprimir mitjançant tecnologia d'impressió 3D i després es van muntar. Aquest component innovador proporciona al coet un major flux de fluids i una major empenta, convertint-lo en una part essencial del motor.
Velo3D va contribuir a l'ús de la tecnologia PBF en la fabricació del motor de coet líquid E-2.
La fabricació additiva té àmplies aplicacions, incloent-hi la producció d'estructures petites i grans. Per exemple, les tecnologies d'impressió 3D com la solució Stargate de Relativity Space es poden utilitzar per fabricar peces grans com ara dipòsits de combustible de coets i pales d'hèlix. Relativity Space ho ha demostrat amb l'èxit de la producció del Terran 1, un coet gairebé completament imprès en 3D, que inclou un dipòsit de combustible de diversos metres de llarg. El seu primer llançament el 23 de març de 2023 va demostrar l'eficiència i la fiabilitat dels processos de fabricació additiva.
La tecnologia d'impressió 3D basada en l'extrusió també permet la producció de peces utilitzant materials d'alt rendiment com el PEEK. Els components fets d'aquest termoplàstic ja s'han provat a l'espai i es van col·locar al rover Rashid com a part de la missió lunar dels Emirats Àrabs Units. L'objectiu d'aquesta prova era avaluar la resistència del PEEK a les condicions lunars extremes. Si té èxit, el PEEK podria ser capaç de substituir les peces metàl·liques en situacions on les peces metàl·liques es trenquin o els materials siguin escassos. A més, les propietats lleugeres del PEEK poden ser valuoses en l'exploració espacial.
La tecnologia d'impressió 3D es pot utilitzar per fabricar una varietat de peces per a la indústria aeroespacial.
Avantatges de la impressió 3D a la indústria aeroespacial
Els avantatges de la impressió 3D en la indústria aeroespacial inclouen una millora de l'aspecte final de les peces en comparació amb les tècniques de construcció tradicionals. Johannes Homa, CEO del fabricant austríac d'impressores 3D Lithoz, va afirmar que "aquesta tecnologia fa que les peces siguin més lleugeres". Gràcies a la llibertat de disseny, els productes impresos en 3D són més eficients i requereixen menys recursos. Això té un impacte positiu en l'impacte ambiental de la producció de peces. Relativity Space ha demostrat que la fabricació additiva pot reduir significativament el nombre de components necessaris per fabricar naus espacials. Per al coet Terran 1, es van estalviar 100 peces. A més, aquesta tecnologia té avantatges significatius en la velocitat de producció, ja que el coet es completa en menys de 60 dies. En canvi, la fabricació d'un coet amb mètodes tradicionals podria trigar diversos anys.
Pel que fa a la gestió de recursos, la impressió 3D pot estalviar materials i, en alguns casos, fins i tot permetre el reciclatge de residus. Finalment, la fabricació additiva pot convertir-se en un actiu valuós per reduir el pes d'enlairament dels coets. L'objectiu és maximitzar l'ús de materials locals, com la regolita, i minimitzar el transport de materials dins de les naus espacials. Això fa possible portar només una impressora 3D, que pot crear-ho tot in situ després del viatge.
Made in Space ja ha enviat una de les seves impressores 3D a l'espai per fer-ne proves.
Limitacions de la impressió 3D a l'espai
Tot i que la impressió 3D té molts avantatges, la tecnologia encara és relativament nova i té limitacions. Advenit Makaya va afirmar: "Un dels principals problemes de la fabricació additiva a la indústria aeroespacial és el control i la validació del procés". Els fabricants poden entrar al laboratori i provar la resistència, la fiabilitat i la microestructura de cada peça abans de la validació, un procés conegut com a proves no destructives (NDT). Tanmateix, això pot ser lent i costós, de manera que l'objectiu final és reduir la necessitat d'aquestes proves. La NASA va establir recentment un centre per abordar aquest problema, centrat en la certificació ràpida de components metàl·lics fabricats mitjançant fabricació additiva. El centre pretén utilitzar bessons digitals per millorar els models informàtics dels productes, cosa que ajudarà els enginyers a comprendre millor el rendiment i les limitacions de les peces, inclosa la quantitat de pressió que poden suportar abans de la fractura. D'aquesta manera, el centre espera ajudar a promoure l'aplicació de la impressió 3D a la indústria aeroespacial, fent-la més eficaç per competir amb les tècniques de fabricació tradicionals.
Aquests components s'han sotmès a proves exhaustives de fiabilitat i resistència.
D'altra banda, el procés de verificació és diferent si la fabricació es fa a l'espai. Advenit Makaya de l'ESA explica: "Hi ha una tècnica que consisteix a analitzar les peces durant la impressió". Aquest mètode ajuda a determinar quins productes impresos són adequats i quins no. A més, hi ha un sistema d'autocorrecció per a impressores 3D destinades a l'espai i que s'està provant en màquines metàl·liques. Aquest sistema pot identificar possibles errors en el procés de fabricació i modificar automàticament els seus paràmetres per corregir qualsevol defecte de la peça. S'espera que aquests dos sistemes millorin la fiabilitat dels productes impresos a l'espai.
Per validar les solucions d'impressió 3D, la NASA i l'ESA han establert estàndards. Aquests estàndards inclouen una sèrie de proves per determinar la fiabilitat de les peces. Consideren la tecnologia de fusió en llit de pols i els estan actualitzant per a altres processos. Tanmateix, molts actors importants de la indústria dels materials, com ara Arkema, BASF, Dupont i Sabic, també proporcionen aquesta traçabilitat.
Viure a l'espai?
Amb l'avanç de la tecnologia d'impressió 3D, hem vist molts projectes reeixits a la Terra que utilitzen aquesta tecnologia per construir cases. Això ens fa preguntar-nos si aquest procés es podria utilitzar en un futur proper o llunyà per construir estructures habitables a l'espai. Tot i que viure a l'espai actualment no és realista, construir cases, especialment a la Lluna, pot ser beneficiós per als astronautes en l'execució de missions espacials. L'objectiu de l'Agència Espacial Europea (ESA) és construir cúpules a la Lluna utilitzant regolita lunar, que es pot utilitzar per construir murs o maons per protegir els astronautes de la radiació. Segons Advenit Makaya de l'ESA, la regolita lunar està composta per aproximadament un 60% de metall i un 40% d'oxigen i és un material essencial per a la supervivència dels astronautes, ja que pot proporcionar una font inesgotable d'oxigen si s'extreu d'aquest material.
La NASA ha atorgat una subvenció de 57,2 milions de dòlars a ICON per desenvolupar un sistema d'impressió 3D per construir estructures a la superfície lunar i també està col·laborant amb l'empresa per crear un hàbitat Mars Dune Alpha. L'objectiu és provar les condicions de vida a Mart fent que voluntaris visquin en un hàbitat durant un any, simulant les condicions del Planeta Vermell. Aquests esforços representen passos crítics cap a la construcció directa d'estructures impreses en 3D a la Lluna i Mart, cosa que eventualment podria aplanar el camí per a la colonització espacial humana.
En un futur llunyà, aquestes cases podrien permetre que la vida sobrevisqui a l'espai.
Data de publicació: 14 de juny de 2023
