Hergestellt im Weltraum: Additiv im Orbit

Entwicklungen in der 3D-Drucktechnologie könnten die Herstellung außerhalb des Planeten eher früher als später Realität werden lassen. Stuart Nathan berichtet

Der Weltraum ist, wie die Kapitäne Kirk und Picard so einprägsam sagten, die letzte Grenze. Und das nicht nur zum Erkunden. Da die Pläne für die menschliche Präsenz im Sonnensystem immer ausgereifter werden, suchen Forscher zunehmend nach Möglichkeiten, bisher erdgebundene Bereiche menschlicher Aktivität in den Weltraum auszudehnen. Wie kürzlich auf einer Konferenz im Manufacturing Technology Centre in Coventry untersucht wurde, ist ein Bereich die Fertigung.

Ein sehr spezifischer Bereich der Fertigung wird untersucht: der Bau von Raumfahrzeugen und Gegenständen, die menschliche Entdecker auf ihren Missionen (unabhängig davon, ob sie fünf Jahre oder sogar länger dauern) benötigen könnten, wie z. B. Unterkünfte, Lebensräume und Werkzeuge im Weltraum. Die ersten Schritte hierzu werden bereits untersucht: Der Zusammenbau von Raumfahrzeugen im Orbit hatte Ende der 1980er und Anfang der 1990er Jahre mit dem Bau der Internationalen Raumstation (ISS) aus Modulen, die von russischen Trägerraketen und dem Space Shuttle transportiert wurden, bemerkenswerte Erfolge und entweder durch autonome Andockmanöver oder durch Astronautenbesatzungen zusammengebaut.

Der Grundgedanke hinter der Herstellung außerhalb des Planeten ist derselbe wie bei der Baustrategie der ISS: Es ist einfacher, unhandlich geformte und große Gegenstände vor Ort zu konstruieren, als sie auf der Erde zu bauen und in die Umlaufbahn zu bringen. Sie müssen den Vibrationen und Belastungen beim Start nicht standhalten oder für einen sicheren Transport verpackt werden. Entscheidend ist allein die Masse der zu transportierenden Rohstoffe.

Das ist natürlich theoretisch. Es mag einfacher sein, aber die Aufgabe, tatsächlich etwas zu bauen, muss noch bewältigt werden, und bis vor relativ kurzer Zeit waren nur sehr wenige der etablierten Herstellungstechniken für den Einsatz unter Schwerelosigkeitsbedingungen geeignet (oder praktisch).

Bei früheren Vorstößen des Ingenieurs in diesem Sektor wurden Techniken wie das Extrudieren von Kunststoffen zur Herstellung langer Ausleger untersucht, aber die Fähigkeit, beispielsweise die Hauptmodule von Raumfahrzeugen zu bauen, fehlte völlig.

Dies hat sich durch das Aufkommen additiver Fertigungstechniken geändert, bei denen sehr einfache Rohmaterialformen wie Pulver oder Draht in relativ komplexe, dreidimensionale geometrische Formen umgewandelt werden. Diese würden den Bau komplexer Strukturen im Weltraum ermöglichen, wobei Rohstoffe in kompakter Form in den Orbit transportiert werden müssten.

Laut Tony Mears von der britischen Raumfahrtbehörde „hat [die additive Fertigung] das Potenzial, die Raumfahrtfertigung wie nichts anderes aufzurütteln.“ Von der Abschaffung der Kosten herkömmlicher Maschinen bis hin zur Entwicklung neuer Designs verändert die additive Fertigung unsere Herangehensweise an optische Instrumente.“ , Spiegel, sogar Raketentriebwerke. Die britische Raumfahrtbehörde hat all diese Projekte bis zum mittleren TRL (Technology Readiness Level) finanziert und sie alle haben eine vielversprechende Zukunft in kommerziellen Anwendungen vor sich.“

Nicht alle additiven Techniken sind für den Einsatz im Weltraum geeignet. Die am häufigsten als 3D-Druck bezeichnete Technik der additiven Pulverbett-Schichtfertigung – bei der ein Laser zum Schmelzen eines Metall- oder Polymerpulvers verwendet wird, um Stück für Stück ein Objekt aufzubauen – ist nicht geeignet. Prof. Richard Hague, Direktor des Zentrums für additive Fertigung an der Universität Nottingham, erklärte gegenüber The Engineer, dass es ohne Schwerkraft unmöglich wäre, ein Pulverbett in einem 3D-Drucker zu konsolidieren, und daher wäre die Technik unmöglich .

Eine vielversprechende Technik ist jedoch die additive Fertigung mit Draht und Lichtbogen (WAAM). Diese vom Schweißen abgeleitete Methode verwendet einen am Roboterarm montierten Lichtbogeneffektor, um Metall von einem Draht in die vom Effektorarm programmierte Form zu bringen. Da sich ein solches System problemlos im Kreis bewegen kann, eignet es sich besonders gut für die Herstellung runder Zylinder und Kugeln – beides Formen, die üblicherweise für Raumfahrzeuge und Lebensräume verwendet werden. Tanks zur Aufnahme von unter Druck stehenden Gasen haben häufig die gleiche Form.

Die Cranfield University hat eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung von WAAM gespielt und untersucht Weltraumanwendungen für die Technik. Anfang des Jahres arbeitete das Unternehmen mit Thales Alenia Space und dem schottischen Unternehmen Glenalmond Technologies zusammen, das sich auf die Verwendung dieser Technik mit hochwertigen Metallen konzentriert, um einen maßstabsgetreuen Prototyp eines Druckbehälters aus Titanlegierung für Raumfahrtanwendungen zu bauen. Der 8,5 kg schwere und einen Meter lange Tank besteht aus der Legierung Ti-6Al-4V, einem Material mit hohem Festigkeits-Gewichts-Verhältnis, das häufig für Anwendungen in der Luft- und Raumfahrt sowie im biomedizinischen Bereich verwendet wird.

Auf der MTC-Konferenz sprach der Konstrukteur Abdul Haque vom Advanced Manufacturing Research Center über ein Projekt zum Bau eines kugelförmigen Treibstofftanks aus Titan für einen CubeSat, der Ammoniak aufnehmen soll, das in einem mikrowellengestützten elektrothermischen Triebwerkssystem verwendet werden soll. Dieses Projekt mit dem Industriepartner AVS Space wurde im Rahmen von AMRC/Space durchgeführt, das im September 2018 gegründet wurde, um Möglichkeiten in der britischen Produktionsbasis zu erkunden und die Vision der Regierung für ein „großes britisches Weltraumzeitalter“ zu unterstützen. Der Tank erfüllte die für eine solche Anwendung erforderlichen Innendruckstandards, sagte Haque.

Eine weitere Anwendung, bei der die additive Fertigung für den Weltraum großes Interesse geweckt hat, ist der Bau von Lebensräumen für Astronauten auf dem Mond mit Blick auf eine spätere Anwendung bei bemannten Missionen zum Mars. Auch hier geht es darum, den Transport sperriger und schwerer Gegenstände von der Erde zu Ziellandeplätzen überflüssig zu machen. Das Ziel besteht in diesen Fällen im Allgemeinen darin, die Rohstoffe für den Bau der Module durch In-situ-Ressourcennutzung (ISRU) zu nutzen, also Mond- (oder Mars-)Boden, den sogenannten Regolith, zu nutzen. ISRU ist derzeit das Objekt von großem Interesse für Mondrückführungsmissionen.

Da neue Mondmissionen nun fest auf dem Zeitplan stehen, hat das Interesse an additiven Lebensräumen zugenommen, und Ende Mai dieses Jahres startete das Laser Zentrum Hannover (LZH), ein deutsches unabhängiges Forschungsinstitut, in Zusammenarbeit mit dem Institut für Raumfahrtsysteme der Technischen Universität Hannover Die Universität Braunschweig (IRAS) kündigte eine neue Phase eines Projekts namens MOONRISE an, das 2015 begann. IRAS-Forschungsleiter Prof. Enrico Stoll sagte, dass es sich bei der Projektausrüstung um einen Laser mit geringem Gewicht handelt, der Mondregolith schmelzen kann, um ihn wieder in einem Roboter abzulagern -gesteuertes Additiv-Extrusionssystem, wird bis Ende 2021 auf einer von der ESA geleiteten Mondmission mitfahren.

Der MOONRISE-Laser wiegt 3 kg und das Team passt ihn derzeit so an, dass er in einen Tunnel auf der Basis eines Mondrovers passt. Vor der Mission wird das System getestet, um sicherzustellen, dass es den Transitbedingungen standhält und in der Umgebung des Mondes funktioniert. Mittlerweile wird die Anlage seit 10 Monaten getestet. LZH-Forschungsleiter Prof. Ludger Overmeyer sagte, dass die Herausforderung, sicherzustellen, dass der Prozess sicher ist und die Ausrüstung im Rahmen des Massenbudgets bleibt, beträchtlich sei, die Fortschritte jedoch vielversprechend seien.

Gefördert wird das Projekt von der VolkswagenStiftung, Deutschlands größtem unabhängigen Geldgeber für Grundlagenforschung, der jährlich 100 Millionen Euro (89 Millionen Pfund) für neue Projekte vergibt. Trotz seines Namens ist es nicht mit dem Automobilriesen verbunden.

Die NASA wiederum machte den Bau von 3D-gedruckten Lebensräumen auf dem Mars zum Thema eines Wettbewerbs, der im April seine vorletzte und vierte Phase abschloss. Die drei besten Teams, die am Wettbewerb teilnahmen, SEArch+/Apis Cor aus New York, Zopherus aus Arkansas und Mars Incubator aus New Haven, Connecticut, teilten sich ein Preisgeld von 100.000 US-Dollar, basierend auf kurzen Videos und 3D-gedruckten Miniaturmodellen, um die Innenräume zu zeigen ihre Strukturen.

Jedes Team ging das Problem anders an. SEArch+/Apis Cor entwickelte ein mehrstöckiges Design mit kontinuierlicher struktureller Verstärkung dank seiner Spiralstruktur und Öffnungen entlang der Seite oben am Gebäude, um Licht hereinzulassen; Zopherus nutzte einen mobilen 3D-Drucker, der sich von Standort zu Standort bewegen und zusätzliche Strukturen errichten soll. und das Design des Mars Incubator besteht aus vier separaten Volumina mit unterschiedlichen Zwecken, die durch Brücken verbunden sind.

Die letzte Phase des Wettbewerbs ist abgeschlossen, und drei Finalisten traten gegeneinander an, um Modelle ihrer Strukturen in Originalgröße zu bauen. Bei Redaktionsschluss dieses Beitrags hatte der Gewinner (der einen Preis von 800.000 US-Dollar gewinnen wird) dies jedoch noch nicht getan noch nicht bekannt gegeben.