Fin dal XX secolo, l'umanità è affascinata dall'esplorazione dello spazio e dalla comprensione di ciò che si trova oltre la Terra. Grandi organizzazioni come la NASA e l'ESA sono state in prima linea nell'esplorazione spaziale, e un altro attore importante in questa conquista è la stampa 3D. Grazie alla capacità di produrre rapidamente componenti complessi a basso costo, questa tecnologia di progettazione sta diventando sempre più popolare nelle aziende. Rende possibile la creazione di numerose applicazioni, come satelliti, tute spaziali e componenti per razzi. Infatti, secondo SmarTech, si prevede che il valore di mercato della produzione additiva nell'industria spaziale privata raggiungerà i 2,1 miliardi di euro entro il 2026. Ciò solleva la domanda: in che modo la stampa 3D può aiutare gli esseri umani a eccellere nello spazio?
Inizialmente, la stampa 3D veniva utilizzata principalmente per la prototipazione rapida nei settori medico, automobilistico e aerospaziale. Tuttavia, con la sua diffusione, la tecnologia viene sempre più utilizzata anche per componenti destinati allo scopo finale. La tecnologia di produzione additiva di metalli, in particolare l'L-PBF, ha permesso la produzione di una varietà di metalli con caratteristiche e durabilità adatte a condizioni spaziali estreme. Altre tecnologie di stampa 3D, come la DED (Die Deposition Deposition), il binder jetting e l'estrusione, vengono utilizzate anche nella produzione di componenti aerospaziali. Negli ultimi anni, sono emersi nuovi modelli di business, con aziende come Made in Space e Relativity Space che utilizzano la tecnologia di stampa 3D per progettare componenti aerospaziali.
Relativity Space sviluppa una stampante 3D per l'industria aerospaziale
Tecnologia di stampa 3D nel settore aerospaziale
Ora che le abbiamo introdotte, diamo un'occhiata più da vicino alle diverse tecnologie di stampa 3D utilizzate nel settore aerospaziale. Innanzitutto, va notato che la produzione additiva di metalli, in particolare L-PBF, è la più utilizzata in questo campo. Questo processo prevede l'utilizzo di energia laser per fondere la polvere metallica strato per strato. È particolarmente adatto per la produzione di componenti piccoli, complessi, precisi e personalizzati. I produttori aerospaziali possono anche trarre vantaggio dalla DED, che prevede il deposito di filo o polvere metallica ed è utilizzata principalmente per la riparazione, il rivestimento o la produzione di componenti personalizzati in metallo o ceramica.
Al contrario, il binder jetting, sebbene vantaggioso in termini di velocità di produzione e costi contenuti, non è adatto alla produzione di componenti meccanici ad alte prestazioni perché richiede fasi di rinforzo post-lavorazione che aumentano i tempi di produzione del prodotto finale. La tecnologia di estrusione è efficace anche in ambito spaziale. Va notato che non tutti i polimeri sono adatti all'uso nello spazio, ma materie plastiche ad alte prestazioni come il PEEK possono sostituire alcune parti metalliche grazie alla loro resistenza. Tuttavia, questo processo di stampa 3D non è ancora molto diffuso, ma può diventare una risorsa preziosa per l'esplorazione spaziale grazie all'utilizzo di nuovi materiali.
La fusione laser a letto di polvere (L-PBF) è una tecnologia ampiamente utilizzata nella stampa 3D per il settore aerospaziale.
Potenziale dei materiali spaziali
L'industria aerospaziale ha esplorato nuovi materiali attraverso la stampa 3D, proponendo alternative innovative che potrebbero rivoluzionare il mercato. Mentre metalli come titanio, alluminio e leghe di nichel-cromo sono sempre stati al centro dell'attenzione, un nuovo materiale potrebbe presto rubare la scena: la regolite lunare. La regolite lunare è uno strato di polvere che ricopre la Luna e l'ESA ha dimostrato i vantaggi della sua combinazione con la stampa 3D. Advenit Makaya, ingegnere di produzione senior dell'ESA, descrive la regolite lunare come simile al cemento, composta principalmente da silicio e altri elementi chimici come ferro, magnesio, alluminio e ossigeno. L'ESA ha collaborato con Lithoz per produrre piccole parti funzionali come viti e ingranaggi utilizzando regolite lunare simulata con proprietà simili alla vera polvere lunare.
La maggior parte dei processi coinvolti nella produzione della regolite lunare utilizza il calore, rendendola compatibile con tecnologie come la SLS e le soluzioni di stampa a legame di polvere. L'ESA sta inoltre utilizzando la tecnologia D-Shape con l'obiettivo di produrre parti solide miscelando cloruro di magnesio con materiali e combinandolo con l'ossido di magnesio presente nel campione simulato. Uno dei vantaggi significativi di questo materiale lunare è la sua maggiore risoluzione di stampa, che consente di produrre parti con la massima precisione. Questa caratteristica potrebbe diventare la risorsa principale per ampliare la gamma di applicazioni e la produzione di componenti per le future basi lunari.
La regolite lunare è ovunque
Esiste anche la regolite marziana, che si riferisce al materiale presente nel sottosuolo di Marte. Attualmente, le agenzie spaziali internazionali non possono recuperare questo materiale, ma ciò non ha impedito agli scienziati di studiarne il potenziale in alcuni progetti aerospaziali. I ricercatori stanno utilizzando campioni simulati di questo materiale e lo stanno combinando con una lega di titanio per produrre utensili o componenti di razzi. I risultati iniziali indicano che questo materiale fornirà una maggiore resistenza e proteggerà le apparecchiature dalla ruggine e dai danni da radiazioni. Sebbene questi due materiali abbiano proprietà simili, la regolite lunare è ancora il materiale più testato. Un altro vantaggio è che questi materiali possono essere prodotti in loco senza la necessità di trasportare materie prime dalla Terra. Inoltre, la regolite è una fonte inesauribile di materiale, contribuendo a prevenirne la scarsità.
Le applicazioni della tecnologia di stampa 3D nel settore aerospaziale
Le applicazioni della tecnologia di stampa 3D nel settore aerospaziale possono variare a seconda del processo specifico utilizzato. Ad esempio, la fusione laser a letto di polvere (L-PBF) può essere utilizzata per produrre componenti complessi di breve durata, come sistemi di utensili o pezzi di ricambio per applicazioni spaziali. Launcher, una startup californiana, ha utilizzato la tecnologia di stampa 3D in zaffiro-metallo di Velo3D per migliorare il motore a razzo liquido E-2. Il processo del produttore è stato utilizzato per creare la turbina a induzione, che svolge un ruolo cruciale nell'accelerazione e nell'immissione di LOX (ossigeno liquido) nella camera di combustione. La turbina e il sensore sono stati stampati utilizzando la tecnologia di stampa 3D e poi assemblati. Questo componente innovativo fornisce al razzo un maggiore flusso di fluido e una maggiore spinta, rendendolo una parte essenziale del motore.
Velo3D ha contribuito all'utilizzo della tecnologia PBF nella produzione del motore a razzo liquido E-2.
La produzione additiva ha ampie applicazioni, tra cui la produzione di strutture di piccole e grandi dimensioni. Ad esempio, tecnologie di stampa 3D come la soluzione Stargate di Relativity Space possono essere utilizzate per produrre componenti di grandi dimensioni come serbatoi di carburante per razzi e pale di eliche. Relativity Space lo ha dimostrato con la produzione di successo del Terran 1, un razzo stampato quasi interamente in 3D, incluso un serbatoio di carburante lungo diversi metri. Il suo primo lancio, avvenuto il 23 marzo 2023, ha dimostrato l'efficienza e l'affidabilità dei processi di produzione additiva.
La tecnologia di stampa 3D basata sull'estrusione consente inoltre la produzione di componenti utilizzando materiali ad alte prestazioni come il PEEK. Componenti realizzati con questo materiale termoplastico sono già stati testati nello spazio e sono stati installati sul rover Rashid nell'ambito della missione lunare degli Emirati Arabi Uniti. Lo scopo di questo test era valutare la resistenza del PEEK alle condizioni lunari estreme. In caso di successo, il PEEK potrebbe essere in grado di sostituire parti metalliche in situazioni in cui queste si rompono o i materiali scarseggiano. Inoltre, la leggerezza del PEEK potrebbe rivelarsi preziosa nell'esplorazione spaziale.
La tecnologia di stampa 3D può essere utilizzata per realizzare una varietà di componenti per l'industria aerospaziale.
Vantaggi della stampa 3D nel settore aerospaziale
I vantaggi della stampa 3D nel settore aerospaziale includono un aspetto finale migliore dei componenti rispetto alle tecniche di costruzione tradizionali. Johannes Homa, CEO del produttore austriaco di stampanti 3D Lithoz, ha affermato che "questa tecnologia rende i componenti più leggeri". Grazie alla libertà di progettazione, i prodotti stampati in 3D sono più efficienti e richiedono meno risorse. Ciò ha un impatto positivo sull'impatto ambientale della produzione dei componenti. Relativity Space ha dimostrato che la produzione additiva può ridurre significativamente il numero di componenti necessari per la produzione di veicoli spaziali. Per il razzo Terran 1, sono stati risparmiati 100 componenti. Inoltre, questa tecnologia offre vantaggi significativi in termini di velocità di produzione, con il completamento del razzo in meno di 60 giorni. Al contrario, la produzione di un razzo con metodi tradizionali potrebbe richiedere diversi anni.
Per quanto riguarda la gestione delle risorse, la stampa 3D può far risparmiare materiali e, in alcuni casi, consentire persino il riciclo dei rifiuti. Infine, la produzione additiva può rivelarsi una risorsa preziosa per ridurre il peso al decollo dei razzi. L'obiettivo è massimizzare l'uso di materiali locali, come la regolite, e ridurre al minimo il trasporto di materiali all'interno della navicella spaziale. Ciò consente di trasportare solo una stampante 3D, che può creare tutto in loco dopo il viaggio.
Made in Space ha già inviato una delle sue stampanti 3D nello spazio per i test.
Limitazioni della stampa 3D nello spazio
Sebbene la stampa 3D offra numerosi vantaggi, la tecnologia è ancora relativamente nuova e presenta dei limiti. Advenit Makaya ha affermato: "Uno dei principali problemi della produzione additiva nel settore aerospaziale è il controllo e la convalida del processo". I produttori possono accedere al laboratorio e testare la resistenza, l'affidabilità e la microstruttura di ogni componente prima della convalida, un processo noto come test non distruttivi (NDT). Tuttavia, questo può essere dispendioso in termini di tempo e denaro, quindi l'obiettivo finale è ridurre la necessità di questi test. La NASA ha recentemente istituito un centro per affrontare questo problema, focalizzato sulla certificazione rapida dei componenti metallici realizzati con la produzione additiva. Il centro mira a utilizzare i gemelli digitali per migliorare i modelli computerizzati dei prodotti, il che aiuterà gli ingegneri a comprendere meglio le prestazioni e i limiti dei componenti, inclusa la pressione che possono sopportare prima della frattura. In questo modo, il centro spera di contribuire a promuovere l'applicazione della stampa 3D nel settore aerospaziale, rendendola più efficace nella competizione con le tecniche di produzione tradizionali.
Questi componenti sono stati sottoposti a test approfonditi di affidabilità e resistenza.
D'altro canto, il processo di verifica è diverso se la produzione avviene nello spazio. Advenit Makaya dell'ESA spiega: "Esiste una tecnica che prevede l'analisi dei componenti durante la stampa". Questo metodo aiuta a determinare quali prodotti stampati sono adatti e quali no. Inoltre, esiste un sistema di autocorrezione per le stampanti 3D destinate allo spazio, attualmente in fase di test su macchine per metalli. Questo sistema è in grado di identificare potenziali errori nel processo di produzione e di modificarne automaticamente i parametri per correggere eventuali difetti del componente. Si prevede che questi due sistemi miglioreranno l'affidabilità dei prodotti stampati nello spazio.
Per convalidare le soluzioni di stampa 3D, la NASA e l'ESA hanno stabilito degli standard. Questi standard includono una serie di test per determinare l'affidabilità dei componenti. Considerano la tecnologia di fusione a letto di polvere e li stanno aggiornando per altri processi. Tuttavia, molti importanti attori del settore dei materiali, come Arkema, BASF, Dupont e Sabic, forniscono anche questa tracciabilità.
Vivere nello spazio?
Con il progresso della tecnologia di stampa 3D, abbiamo assistito a molti progetti di successo sulla Terra che utilizzano questa tecnologia per costruire abitazioni. Questo ci porta a chiederci se questo processo possa essere utilizzato in un futuro prossimo o remoto per costruire strutture abitabili nello spazio. Sebbene vivere nello spazio sia attualmente irrealistico, costruire case, in particolare sulla Luna, può essere utile per gli astronauti durante le missioni spaziali. L'obiettivo dell'Agenzia Spaziale Europea (ESA) è quello di costruire cupole sulla Luna utilizzando la regolite lunare, che può essere utilizzata per costruire muri o mattoni per proteggere gli astronauti dalle radiazioni. Secondo Advenit Makaya dell'ESA, la regolite lunare è composta per circa il 60% da metallo e per il 40% da ossigeno ed è un materiale essenziale per la sopravvivenza degli astronauti perché può fornire una fonte inesauribile di ossigeno se estratta da questo materiale.
La NASA ha assegnato un finanziamento di 57,2 milioni di dollari a ICON per lo sviluppo di un sistema di stampa 3D per la costruzione di strutture sulla superficie lunare e sta inoltre collaborando con l'azienda per creare un habitat chiamato Mars Dune Alpha. L'obiettivo è testare le condizioni di vita su Marte, ospitando volontari che vivranno in un habitat per un anno, simulando le condizioni del Pianeta Rosso. Questi sforzi rappresentano passi fondamentali verso la costruzione diretta di strutture stampate in 3D sulla Luna e su Marte, che potrebbero in futuro aprire la strada alla colonizzazione umana dello spazio.
In un futuro lontano, queste case potrebbero consentire la sopravvivenza della vita nello spazio.
Data di pubblicazione: 14-06-2023
