3 lipca 2022

 

zastosowanie wytwarzania przyrostowego na potrzeby eksploracji przestrzeni kosmicznej

Nie ulega wątpliwości, że technologie wytwarzania przyrostowego doskonale sprawdzają się w produkcji specjalistycznych komponentów dla sektora kosmicznego. Podstawowe aspekty użycia technik przyrostowych do produkcji podzespołów silników rakietowych omawialiśmy w grudniowym wydaniu Projektowania i Konstrukcji Inżynierskich z 2018 roku. Skala zastosowań druku przestrzennego na potrzeby misji w przestrzeni kosmicznej jest jednak znacznie większa, a dalszy rozwój kompetencji w tym zakresie ma wielkie znaczenie dla przyszłości eksploracji kosmosu.

W miarę rozwoju i doskonalenia poszczególnych metod druku przestrzennego, rośnie liczba komponentów wytwarzanych przyrostowo w różnych gałęziach produkcji przemysłowej. Nie są to już tylko prototypy czy modele badawcze, a coraz częściej w pełni funkcjonalne części samochodów czy samolotów. Nie inaczej jest w przypadku sektora kosmicznego. W konstrukcji pojazdu badawczego Perseverance, który 18 lutego ubiegłego roku wylądował na Marsie, znajduje się 11 komponentów wytworzonych przyrostowo.

Pięć z nich wchodzi w skład modułu PIXL (Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry). Jest to spektrometr, zamontowany na wieżyczce umieszczonej na końcu wysięgnika o długości 2 metrów, wykorzystujący metodę fluorescencji rentgenowskiej do analizy składu pierwiastkowego skał marsjańskich. Aby uczynić moduł PIXL jak najlżejszym, inżynierowie z NASA JPL (Jet Propulsion Laboratory) zaprojektowali obie połówki jego obudowy i ramę mocującą na dwóch zastrzałach jako elementy cienkościenne i puste w środku. Zostały one wydrukowane w 3D, pozwalając na czterokrotną oszczędność masy w porównaniu do konwencjonalnych metod. Jak przekonuje Michael Schein, kierownik ds. Inżynierii mechanicznej PIXL z NASA JPL, wykonanie elementów o takiej precyzji detali przy tak niewielkiej masie nie byłoby możliwe przy użyciu konwencjonalnych technik produkcyjnych.

pixl obudowa
Moduł PIXL (Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry) z elementami strukturalnymi wydrukowanymi w 3D z tytanu

Pozostałe elementy odnajdujemy w module MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment), który 20 kwietnia 2021 wyprodukował niecałe 6 gram tlenu z atmosferycznego dwutlenku węgla na Marsie. Konwersja CO2 w MOXIE przebiega w temperaturze 800 °C, co wymagało zastosowania materiałów o wysokiej odporności temperaturowej. Sześć wymienników ciepła dla MOXIE wykonano przyrostowo ze stopu niklu. Wydrukowane w 3D wymienniki poddano procesowi prasowania izostatycznego na gorąco w temperaturze sięgającej 1000 °C w celu redukcji porowatości. Dzięki wykorzystaniu druku przestrzennego, wymienniki mogły powstać jako jednolite części o uproszczonej konstrukcji, eliminując potrzebę łączenia i spajania kilku elementów.

moxie wymiennik ciepła
Wymiennik ciepła wykonany przyrostowo z stopu niklu dla MOXIE (Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment)

MOXIE jest demonstratorem technologii, która ma zasadnicze znaczenie dla przyszłości eksploracji Marsa. Tlen jest potrzebny nie tylko do oddychania dla przyszłych misji załogowych, ale także jako paliwo rakietowe na ich podróż powrotną. Jak tłumaczy Michael Hecht z MIT, czterech astronautów na Marsie potrzebowałoby do oddychania szacunkowo jednej tony tlenu rocznie, ale by wrócić na Ziemię, potrzebowaliby 25 ton tlenu i 7 ton paliwa. Dostarczenie takiego ładunku na Marsa to trudne zadanie. Przyjęto więc, że łatwiej będzie zbudować moduł – większy, ważący tonę odpowiednik MOXIE, zdolny do produkcji wymaganych ilości tlenu in-situ.

WYTWARZANIE PRZYROSTOWE IN-SITU ODPOWIEDZIĄ NA WYZWANIA PRZYSZŁOŚCI

Idąc tym tym tokiem rozumowania, łatwo dojść do wniosku, że zamiast każdego roku dostarczać wielkie ilości sprzętu na orbitę okołoziemską, warto byłoby jak najwięcej tego sprzętu budować in-situ, w przestrzeni kosmicznej. Oczywiście to tylko pewna wizja przyszłości, zupełnie jak w literaturze science-fiction, tym niemniej możliwości w zakresie druku przestrzennego w kosmosie są wykorzystywane od kilku lat na pokładzie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.

 

Cały artykuł dostępny jest w wydaniu płatnym 1/2 (172/173) Styczeń/Luty 2022

Jak zakupić