Desde o século XX, a raza humana estivo fascinada coa exploración do espazo e coa comprensión do que hai máis alá da Terra. Grandes organizacións como a NASA e a ESA estiveron á vangarda da exploración espacial, e outro actor importante nesta conquista é a impresión 3D. Coa capacidade de producir rapidamente pezas complexas a baixo custo, esta tecnoloxía de deseño é cada vez máis popular nas empresas. Permite a creación de moitas aplicacións, como satélites, traxes espaciais e compoñentes de foguetes. De feito, segundo SmarTech, espérase que o valor de mercado da fabricación aditiva da industria espacial privada alcance os 2.100 millóns de euros en 2026. Isto fai xurdir a pregunta: como pode a impresión 3D axudar aos humanos a destacar no espazo?
Inicialmente, a impresión 3D empregouse principalmente para a creación rápida de prototipos nas industrias médica, automotriz e aeroespacial. Non obstante, a medida que a tecnoloxía se foi estendendo, utilízase cada vez máis para compoñentes de uso final. A tecnoloxía de fabricación aditiva metálica, en particular o L-PBF, permitiu a produción dunha variedade de metais con características e durabilidade axeitadas para condicións espaciais extremas. Outras tecnoloxías de impresión 3D, como a DED, a inxección de aglutinante e o proceso de extrusión, tamén se empregan na fabricación de compoñentes aeroespaciais. Nos últimos anos, xurdiron novos modelos de negocio, con empresas como Made in Space e Relativity Space que utilizan a tecnoloxía de impresión 3D para deseñar compoñentes aeroespaciais.
Relativity Space desenvolve unha impresora 3D para a industria aeroespacial
Tecnoloxía de impresión 3D na industria aeroespacial
Agora que xa as presentamos, vexamos con máis detalle as diversas tecnoloxías de impresión 3D empregadas na industria aeroespacial. En primeiro lugar, cómpre sinalar que a fabricación aditiva metálica, especialmente o L-PBF, é a máis empregada neste campo. Este proceso implica o uso de enerxía láser para fusionar po metálico capa por capa. É especialmente axeitado para producir pezas pequenas, complexas, precisas e personalizadas. Os fabricantes aeroespaciais tamén poden beneficiarse da DED, que implica depositar fío ou po metálico e se utiliza principalmente para reparar, revestir ou producir pezas metálicas ou cerámicas personalizadas.
Pola contra, a inxección de aglutinante, aínda que vantaxosa en termos de velocidade de produción e baixo custo, non é axeitada para producir pezas mecánicas de alto rendemento porque require pasos de reforzo posprocesamento que aumentan o tempo de fabricación do produto final. A tecnoloxía de extrusión tamén é eficaz no ambiente espacial. Cómpre sinalar que non todos os polímeros son axeitados para o seu uso no espazo, pero os plásticos de alto rendemento como o PEEK poden substituír algunhas pezas metálicas debido á súa resistencia. Non obstante, este proceso de impresión 3D aínda non está moi estendido, pero pode converterse nun activo valioso para a exploración espacial mediante o uso de novos materiais.
A fusión por leito de po láser (L-PBF) é unha tecnoloxía amplamente utilizada na impresión 3D para a industria aeroespacial.
Potencial dos materiais espaciais
A industria aeroespacial leva tempo explorando novos materiais mediante a impresión 3D, propoñendo alternativas innovadoras que poderían revolucionar o mercado. Aínda que os metais como o titanio, o aluminio e as aliaxes de níquel-cromo sempre foron o foco principal, un novo material podería roubar pronto o protagonismo: a regolita lunar. A regolita lunar é unha capa de po que cobre a Lúa, e a ESA demostrou os beneficios de combinala coa impresión 3D. Advenit Makaya, enxeñeiro sénior de fabricación da ESA, describe a regolita lunar como similar ao formigón, composto principalmente de silicio e outros elementos químicos como ferro, magnesio, aluminio e osíxeno. A ESA asociouse con Lithoz para producir pequenas pezas funcionais como parafusos e engrenaxes utilizando regolita lunar simulada con propiedades similares ao po lunar real.
A maioría dos procesos implicados na fabricación de regolito lunar utilizan calor, o que o fai compatible con tecnoloxías como a SLS e as solucións de impresión por unión en po. A ESA tamén está a usar a tecnoloxía D-Shape co obxectivo de producir pezas sólidas mesturando cloruro de magnesio con materiais e combinándoo co óxido de magnesio que se atopa na mostra simulada. Unha das vantaxes significativas deste material lunar é a súa resolución de impresión máis fina, o que lle permite producir pezas coa máxima precisión. Esta característica podería converterse no principal activo para ampliar a gama de aplicacións e fabricar compoñentes para futuras bases lunares.
O regolito lunar está en todas partes
Tamén existe a regolita marciana, que se refire ao material subterráneo que se atopa en Marte. Actualmente, as axencias espaciais internacionais non poden recuperar este material, pero isto non impediu que os científicos investiguen o seu potencial en certos proxectos aeroespaciais. Os investigadores están a usar mostras simuladas deste material e combinándoo con aliaxe de titanio para producir ferramentas ou compoñentes de foguetes. Os resultados iniciais indican que este material proporcionará unha maior resistencia e protexerá os equipos da oxidación e dos danos por radiación. Aínda que estes dous materiais teñen propiedades similares, a regolita lunar segue a ser o material máis probado. Outra vantaxe é que estes materiais pódense fabricar in situ sen necesidade de transportar materias primas desde a Terra. Ademais, a regolita é unha fonte de material inesgotable, o que axuda a evitar a escaseza.
As aplicacións da tecnoloxía de impresión 3D na industria aeroespacial
As aplicacións da tecnoloxía de impresión 3D na industria aeroespacial poden variar dependendo do proceso específico empregado. Por exemplo, a fusión por leito de po láser (L-PBF) pódese empregar para fabricar pezas complexas a curto prazo, como sistemas de ferramentas ou pezas de reposto espaciais. Launcher, unha empresa emerxente con sede en California, empregou a tecnoloxía de impresión 3D de zafiro-metal de Velo3D para mellorar o seu motor de foguete líquido E-2. O proceso do fabricante utilizouse para crear a turbina de indución, que xoga un papel crucial na aceleración e na condución de LOX (osíxeno líquido) á cámara de combustión. A turbina e o sensor imprimíronse mediante tecnoloxía de impresión 3D e logo ensambláronse. Este compoñente innovador proporciona ao foguete un maior fluxo de fluído e un maior empuxe, o que o converte nunha parte esencial do motor.
Velo3D contribuíu ao uso da tecnoloxía PBF na fabricación do motor de foguete líquido E-2.
A fabricación aditiva ten amplas aplicacións, incluíndo a produción de estruturas pequenas e grandes. Por exemplo, as tecnoloxías de impresión 3D como a solución Stargate de Relativity Space pódense empregar para fabricar pezas grandes como tanques de combustible para foguetes e palas de hélices. Relativity Space demostrouno coa produción exitosa do Terran 1, un foguete case na súa totalidade impreso en 3D, que inclúe un tanque de combustible de varios metros de longo. O seu primeiro lanzamento o 23 de marzo de 2023 demostrou a eficiencia e a fiabilidade dos procesos de fabricación aditiva.
A tecnoloxía de impresión 3D baseada na extrusión tamén permite a produción de pezas empregando materiais de alto rendemento como o PEEK. Os compoñentes feitos deste termoplástico xa foron probados no espazo e colocáronse no rover Rashid como parte da misión lunar dos Emiratos Árabes Unidos. O obxectivo desta proba era avaliar a resistencia do PEEK ás condicións lunares extremas. Se ten éxito, o PEEK podería substituír as pezas metálicas en situacións nas que as pezas metálicas se rompen ou os materiais son escasos. Ademais, as propiedades lixeiras do PEEK poderían ser valiosas na exploración espacial.
A tecnoloxía de impresión 3D pódese empregar para fabricar unha variedade de pezas para a industria aeroespacial.
Vantaxes da impresión 3D na industria aeroespacial
Entre as vantaxes da impresión 3D na industria aeroespacial inclúese unha mellora do aspecto final das pezas en comparación coas técnicas de construción tradicionais. Johannes Homa, CEO do fabricante austríaco de impresoras 3D Lithoz, afirmou que "esta tecnoloxía fai que as pezas sexan máis lixeiras". Debido á liberdade de deseño, os produtos impresos en 3D son máis eficientes e requiren menos recursos. Isto ten un impacto positivo no impacto ambiental da produción de pezas. Relativity Space demostrou que a fabricación aditiva pode reducir significativamente o número de compoñentes necesarios para fabricar naves espaciais. Para o foguete Terran 1, aforráronse 100 pezas. Ademais, esta tecnoloxía ten vantaxes significativas na velocidade de produción, xa que o foguete se completa en menos de 60 días. Pola contra, a fabricación dun foguete con métodos tradicionais podería levar varios anos.
En canto á xestión de recursos, a impresión 3D pode aforrar materiais e, nalgúns casos, incluso permitir a reciclaxe de residuos. Finalmente, a fabricación aditiva pode converterse nun activo valioso para reducir o peso de engalaxe dos foguetes. O obxectivo é maximizar o uso de materiais locais, como a regolita, e minimizar o transporte de materiais dentro das naves espaciais. Isto fai posible levar só unha impresora 3D, que pode crear todo no lugar despois da viaxe.
Made in Space xa enviou unha das súas impresoras 3D ao espazo para probalas.
Limitacións da impresión 3D no espazo
Aínda que a impresión 3D ten moitas vantaxes, a tecnoloxía é relativamente nova e ten limitacións. Advenit Makaya afirmou: "Un dos principais problemas da fabricación aditiva na industria aeroespacial é o control e a validación de procesos". Os fabricantes poden entrar no laboratorio e probar a resistencia, a fiabilidade e a microestrutura de cada peza antes da validación, un proceso coñecido como ensaios non destrutivos (END). Non obstante, isto pode levar moito tempo e ser caro, polo que o obxectivo final é reducir a necesidade destas probas. A NASA estableceu recentemente un centro para abordar este problema, centrado na certificación rápida de compoñentes metálicos fabricados mediante fabricación aditiva. O centro ten como obxectivo usar xemelgos dixitais para mellorar os modelos informáticos de produtos, o que axudará aos enxeñeiros a comprender mellor o rendemento e as limitacións das pezas, incluída a presión que poden soportar antes da fractura. Ao facelo, o centro espera axudar a promover a aplicación da impresión 3D na industria aeroespacial, facéndoa máis eficaz á hora de competir coas técnicas de fabricación tradicionais.
Estes compoñentes foron sometidos a exhaustivas probas de fiabilidade e resistencia.
Por outra banda, o proceso de verificación é diferente se a fabricación se realiza no espazo. Advenit Makaya, da ESA, explica: «Existe unha técnica que consiste en analizar as pezas durante a impresión». Este método axuda a determinar que produtos impresos son axeitados e cales non. Ademais, existe un sistema de autocorrección para impresoras 3D destinadas ao espazo que se está a probar en máquinas de metal. Este sistema pode identificar posibles erros no proceso de fabricación e modificar automaticamente os seus parámetros para corrixir calquera defecto na peza. Espérase que estes dous sistemas melloren a fiabilidade dos produtos impresos no espazo.
Para validar as solucións de impresión 3D, a NASA e a ESA estableceron estándares. Estes estándares inclúen unha serie de probas para determinar a fiabilidade das pezas. Consideran a tecnoloxía de fusión en leito de po e están a actualizalos para outros procesos. Non obstante, moitos dos principais actores da industria dos materiais, como Arkema, BASF, Dupont e Sabic, tamén proporcionan esta trazabilidade.
Vivir no espazo?
Co avance da tecnoloxía de impresión 3D, vimos moitos proxectos exitosos na Terra que empregan esta tecnoloxía para construír casas. Isto fainos preguntarnos se este proceso podería empregarse nun futuro próximo ou distante para construír estruturas habitables no espazo. Aínda que vivir no espazo non é realista na actualidade, construír casas, especialmente na Lúa, pode ser beneficioso para os astronautas na execución de misións espaciais. O obxectivo da Axencia Espacial Europea (ESA) é construír cúpulas na Lúa usando regolito lunar, que se pode usar para construír muros ou ladrillos para protexer os astronautas da radiación. Segundo Advenit Makaya da ESA, o regolito lunar está composto por aproximadamente un 60 % de metal e un 40 % de osíxeno e é un material esencial para a supervivencia dos astronautas porque pode proporcionar unha fonte inesgotable de osíxeno se se extrae deste material.
A NASA concedeu unha subvención de 57,2 millóns de dólares a ICON para desenvolver un sistema de impresión 3D para construír estruturas na superficie lunar e tamén está a colaborar coa empresa para crear un hábitat Mars Dune Alpha. O obxectivo é probar as condicións de vida en Marte facendo que voluntarios vivan nun hábitat durante un ano, simulando as condicións do Planeta Vermello. Estes esforzos representan pasos críticos para construír directamente estruturas impresas en 3D na Lúa e en Marte, o que podería eventualmente allanar o camiño para a colonización espacial humana.
Nun futuro distante, estas casas poderían permitir que a vida sobreviva no espazo.
Data de publicación: 14 de xuño de 2023
