Eine 3D-gedruckte Raketenmaschine hat gerade eine neue Ära der Weltraumforschung eingeläutet

Dieser Artikel wurde ursprünglich in The Conversation veröffentlicht. Die Veröffentlichung trug den Artikel zu ProfoundSpace.org Expert Voices: Op-Ed & Insights bei.

Die Rakete, die am 25. Mai von Neuseeland aus in den Weltraum gesprengt wurde, war etwas Besonderes. Es war nicht nur das erste, das von einer privaten Website startete, es war auch das erste, das von einem Motor angetrieben wurde, der fast ausschließlich mit 3D-Druck hergestellt wurde. Dies könnte nicht die "erste 3D-gedruckte Rakete im Weltraum" sein, die in einigen Schlagzeilen beschrieben wird, aber es zeigt, wie ernst diese Herstellungstechnik von der Raumfahrtindustrie ist.

Mitglieder des Teams hinter der Elektronenrakete des US-Unternehmens Rocket Lab sagen, dass der Motor innerhalb von 24 Stunden gedruckt wurde und im Vergleich zu anderen Systemen Effizienz- und Leistungsvorteile bietet. Es gibt noch nicht viele Informationen über die genauen Details der 3D-gedruckten Komponenten. Es ist jedoch wahrscheinlich, dass viele von ihnen so konstruiert wurden, dass sie das Gewicht minimieren, während sie ihre strukturelle Leistung beibehalten, während andere Komponenten möglicherweise optimiert wurden, um einen effizienten Fluidfluss bereitzustellen. Diese Vorteile - Gewichtsreduzierung und das Potenzial für komplexe neue Designs - sind ein wesentlicher Grund dafür, dass der 3D-Druck einige der wichtigsten Anwendungen in der Weltraumforschung mit dramatischen Auswirkungen finden wird.

Eine Sache, die als additive Fertigung oder 3D-Druck bekannt ist, ist die Herstellung hochkomplizierter Formen. Zum Beispiel werden Gitterstrukturen genau in der richtigen Weise hergestellt, so dass sie weniger wiegen, aber genauso stark sind wie ähnliche feste Komponenten. Dies schafft die Möglichkeit, optimierte, leichte Teile zu produzieren, die mit herkömmlichen Techniken bisher nicht wirtschaftlich oder effizient hergestellt werden konnten.

Ein Beispiel dafür ist das Mikrogitter von Boeing, das angeblich mechanisch solide Strukturen mit 99,9 Prozent Luftanteil produziert. Nicht alle 3D-Druckverfahren können dies erreichen, aber sogar Gewichtseinsparungen von einigen Prozent in Flugzeugen und Raumfahrzeugen können zu großen Vorteilen durch die Verwendung von weniger Treibstoff führen.

Der 3D-Druck eignet sich eher für die Herstellung von relativ kleinen, komplizierten Teilen als für große, einfache Strukturen, bei denen die höheren Material- und Verarbeitungskosten jeden Vorteil überwiegen würden. Zum Beispiel kann eine neu gestaltete Düse die Kraftstoffmischung in einem Motor verbessern, was zu einer besseren Effizienz führt. Die Vergrößerung der Oberfläche eines Hitzeschilds durch die Verwendung einer strukturierten statt einer flachen Oberfläche kann bedeuten, dass Wärme effizienter abgeleitet wird, wodurch die Gefahr einer Überhitzung verringert wird.

Die Techniken können auch die Menge an Material reduzieren, die bei der Herstellung verschwendet wird, was wichtig ist, weil Raumkomponenten dazu neigen, aus sehr teuren und oft seltenen Materialien hergestellt zu werden. Der 3D-Druck kann auch ganze Systeme in einem Arbeitsgang produzieren, anstatt aus vielen zusammengesetzten Teilen. Zum Beispiel nutzte die NASA die Komponenten in einem ihrer Raketen-Injektoren von 115 auf nur zwei. Außerdem können 3D-Drucker - wie es die Raumfahrtindustrie oft benötigt - problemlos kleine Teile eines Teils herstellen, ohne zuvor teure Fertigungswerkzeuge zu erstellen.

Im Orbit

3D-Drucker werden wahrscheinlich auch im Weltraum selbst Verwendung finden, wo es schwierig ist, eine große Anzahl von Ersatzteilen zu lagern, und schwer zu ersetzen, wenn Sie Tausende von Kilometern von der Erde entfernt sind. Es gibt jetzt einen 3D-Drucker auf der Internationalen Raumstation. Wenn also etwas kaputt geht, können Ingenieure ein Design für einen Ersatz schicken und die Astronauten können es ausdrucken.

Der aktuelle Drucker beschäftigt sich nur mit Kunststoff, so dass er eher für die Herstellung von Werkzeugen oder den einmaligen Austausch von leistungsschwachen Teilen wie Türgriffen verwendet wird. Aber sobald 3D-Drucker andere Materialien einfacher verwenden können, werden wir wahrscheinlich eine Zunahme ihrer Verwendungsmöglichkeiten feststellen. Eines Tages könnten Menschen im Weltraum ihre eigenen Nahrungsmittel und sogar biologische Materialien herstellen. Recycling-Einrichtungen könnten auch ermöglichen, dass gebrochene Teile wiederverwendet werden, um den Ersatz vorzunehmen.

Wenn Sie noch weiter nach vorn schauen, könnten 3D-Drucker beim Aufbau von Kolonien nützlich sein. Orte wie der Mond haben nicht viel mit traditionellen Baumaterialien zu tun, aber die Europäische Weltraumorganisation hat bewiesen, dass Solarenergie die Produktion von "Ziegeln" aus Mondstaub antreiben kann, was ein guter Anfang wäre. Forscher untersuchen nun, wie man 3D-Druck nutzen kann, um diese Idee weiterzuentwickeln und komplette gedruckte Gebäude auf dem Mond zu entwickeln.

Um viele dieser Anwendungen Realität werden zu lassen, müssen wir fortschrittlichere Materialien und Verfahren erforschen, mit denen Bauteile hergestellt werden können, die den extrem harten Bedingungen im Weltraum standhalten. Ingenieure müssen auch daran arbeiten, optimierte Designs zu entwickeln und Wege zu finden, 3D gedruckte Teile zu testen, um zu beweisen, dass sie sicher sind. Und dann ist da noch die irritierende Frage der Schwerkraft, oder besser gesagt deren Fehlen. Viele aktuelle Prozesse verwenden Pulver oder Flüssigkeiten als ihre Rohstoffe, so dass wir wahrscheinlich einige clevere Tricks benötigen, um diese in einer Umgebung mit geringer oder Schwerelosigkeit sicher zu machen.

Einige dieser Barrieren können sogar völlig neue Materialien und Techniken erfordern. Aber im Laufe der Forschung wird der 3D-Druck wahrscheinlich immer mehr im Weltraum eingesetzt werden, auch wenn ein voll bedrucktes Raumfahrzeug nicht bald auf den Markt kommt. Der Himmel ist nicht mehr die Grenze.

Candice Majewski, Dozentin, Fakultät für Maschinenbau, Universität von Sheffield

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