Een 3D-geprinte raketmotor heeft net een nieuw tijdperk van ruimte-exploratie gelanceerd

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd in The Conversation. De publicatie droeg het artikel bij aan de Expert Voices: Op-Ed & Insights van ProfoundSpace.org.

De raket die op 25 mei vanuit Nieuw Zeeland de ruimte instak, was speciaal. Niet alleen was het de eerste die vanaf een privé-site werd gelanceerd, het was ook de eerste die werd aangedreven door een motor die bijna volledig met 3D-printen was gemaakt. Dit maakt het misschien niet tot de 'eerste 3D-geprinte raket in de ruimte' die door sommige krantenkoppen werd beschreven, maar het benadrukt wel hoe serieus deze productietechniek door de ruimtevaartindustrie wordt genomen.

Leden van het team achter de Electron-raket bij het Amerikaanse bedrijf Rocket Lab zeggen dat de motor binnen 24 uur is afgedrukt en biedt efficiency- en prestatievoordelen ten opzichte van andere systemen. Er is nog niet veel informatie beschikbaar over de exacte details van de 3D-geprinte componenten. Maar waarschijnlijk zijn veel van hen ontworpen om het gewicht te minimaliseren met behoud van hun structurele prestaties, terwijl andere componenten mogelijk zijn geoptimaliseerd voor een efficiënte vloeistofstroom. Deze voordelen - het verminderen van het gewicht en het potentieel voor complexe nieuwe ontwerpen - vormen een groot deel van de reden waarom 3D-afdrukken naar verwachting enkele van de meest significante toepassingen in de ruimteverkenning zal vinden, met een dramatisch effect.

Een ding dat de reeks technologieën die bekend staan ​​als additieve productie of 3D-printen heel goed doet, is het produceren van zeer gecompliceerde vormen. Roosterstructuren worden bijvoorbeeld precies op de juiste manier geproduceerd, zodat ze minder wegen, maar net zo sterk zijn als vergelijkbare vaste componenten. Dit biedt de mogelijkheid om geoptimaliseerde, lichtgewicht onderdelen te produceren die voorheen niet mogelijk waren om economisch of efficiënt te produceren met meer traditionele technieken.

Het microlaster van Boeing is hiervan een voorbeeld en zou zogenaamd mechanisch correcte structuren produceren die 99,9 procent lucht bevatten. Niet alle 3D-printprocessen kunnen dit bereiken, maar zelfs een gewichtsbesparing van een paar procent in vliegtuigen en ruimtevaartuigen kan grote voordelen opleveren door het gebruik van minder brandstof.

3D-printen heeft de neiging om het beste te werken voor de productie van relatief kleine, ingewikkelde onderdelen in plaats van grote, eenvoudige structuren, waarbij de hogere materiaal- en bewerkingskosten opwegen tegen elk voordeel. Een opnieuw ontworpen mondstuk kan bijvoorbeeld de brandstofmenging in een motor verbeteren, wat leidt tot een betere efficiëntie. Door het oppervlak van een hitteschild te vergroten door een vlak in plaats van een plat oppervlak te gebruiken, kan warmte efficiënter worden overgedragen, waardoor de kans op oververhitting afneemt.

De technieken kunnen ook de hoeveelheid materiaal verspillen die wordt verspild bij de productie, belangrijk omdat ruimtecomponenten meestal gemaakt zijn van zeer dure en vaak zeldzame materialen. 3D-printen kan ook complete systemen in één keer produceren in plaats van uit veel geassembleerde onderdelen. NASA gebruikte het bijvoorbeeld om de componenten in een van zijn raketinjectoren terug te brengen van 115 naar slechts twee. Bovendien kunnen 3D-printers gemakkelijk kleine aantallen van een onderdeel maken - zoals de ruimtevaartindustrie vaak nodig heeft - zonder eerst dure productietools te maken.

In een baan

3D-printers zullen waarschijnlijk ook een gebruik in de ruimte zelf vinden, waar het moeilijk is om grote aantallen reserveonderdelen te behouden en moeilijk te verzenden voor vervanging wanneer je duizenden kilometers verwijderd bent van de aarde. Er is nu een 3D-printer op het International Space Station, dus als er iets kapot gaat, kunnen ingenieurs een ontwerp voor vervanging sturen en kunnen de astronauten het afdrukken.

De huidige printer behandelt alleen plastic, dus het is waarschijnlijker dat deze wordt gebruikt voor het maken van gereedschappen of eenmalige vervanging voor slecht presterende onderdelen zoals deurgrepen. Maar zodra 3D-printers gemakkelijker andere materialen kunnen gebruiken, zien we waarschijnlijk een toename in hun gebruik. Op een dag konden mensen in de ruimte hun eigen voedsel en zelfs biologische materialen produceren. Recyclingfaciliteiten kunnen er ook toe leiden dat kapotte onderdelen worden hergebruikt om de vervangingen te maken.

Verder vooruit kijkend, kunnen 3D-printers nuttig zijn bij het bouwen van kolonies. Plaatsen zoals de maan hebben niet veel van traditionele bouwmaterialen, maar de European Space Agency heeft bewezen dat zonne-energie de productie van "stenen" van maanstof kan aandrijven, wat een goed begin zou zijn. Onderzoekers bekijken nu hoe ze 3D-printing kunnen gebruiken om dit idee verder te ontwikkelen en complete gedrukte gebouwen op de maan te ontwikkelen.

Om veel van deze toepassingen tot een realiteit te maken, moeten we meer geavanceerde materialen en processen onderzoeken die componenten kunnen produceren die bestand zijn tegen de extreem zware omstandigheden in de ruimte. Technici moeten ook werken aan de ontwikkeling van geoptimaliseerde ontwerpen en manieren vinden om 3D-geprinte onderdelen te testen om te bewijzen dat ze veilig zijn. En dan is er de irritante kwestie van de zwaartekracht, of liever het gebrek daaraan. Veel van de huidige processen gebruiken poeders of vloeistoffen als hun grondstoffen, dus we hebben waarschijnlijk een aantal slimme trucs nodig om deze veilig te laten functioneren in een omgeving met weinig of microzwaartekracht.

Sommige van deze barrières kunnen zelfs geheel nieuwe materialen en technieken vereisen. Maar naarmate onderzoek vordert, zal 3D-printen waarschijnlijk steeds meer in de ruimte worden gebruikt, zelfs als een volledig geprint ruimtevoertuig binnenkort niet zal worden gelanceerd. De lucht is niet langer de limiet.

Candice Majewski, docent, Departement Werktuigkunde, Universiteit van Sheffield

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel. Volg alle Expert Voices-problemen en debatten - en word deel van de discussie - op Facebook, Twitter en Google +. De weergegeven meningen zijn die van de auteur en komen niet noodzakelijk overeen met de mening van de uitgever. Deze versie van het artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op ProfoundSpace.org.