Czy w przyszłości astronauci sami będą mogli wydrukować potrzebne części zamienne? Międzynarodowe konsorcjum, w skład którego wchodzą badacze z Politechniki Wrocławskiej, pracuje nad technologią druku 3D z metalu w stanie nieważkości. Projekt „Lamda-g” jest realizowany pod egidą Europejskiej Agencji Kosmicznej (ESA).
Obecnie każda część zamienna na orbicie musi zostać przetransportowana rakietą, co generuje ogromne koszty. Rozwiązaniem jest produkcja bezpośrednio w kosmosie. Choć druk 3D z tworzyw sztucznych był już testowany, to prawdziwym wyzwaniem pozostawała obróbka metali w warunkach braku grawitacji.
Naukowcy z Wydziału Mechanicznego Politechniki Wrocławskiej, pod kierownictwem dr. inż. Pawła Widomskiego, postawili na innowacyjne podejście. Zamiast kłopotliwych w stanie nieważkości proszków metali, badacze wykorzystują lity drut oraz precyzyjne wiązki lasera (technologia Laser Metal Wire Deposition).
Dlaczego drut wygrywa z proszkiem?
Większość drukarek 3D do metalu opiera się na technologiach proszkowych. Choć są one precyzyjne, w kosmosie stają się problematyczne – proszek wymaga szczelnie zamkniętych komór i stwarza ogromne trudności techniczne w stanie nieważkości.
Technologia rozwijana w ramach projektu „Lamda-g” zakłada inne podejście. Dzięki zastosowaniu litego drutu proces staje się znacznie bardziej wydajny. Tradycyjne metody proszkowe pozwalają na przyrost zaledwie kilograma materiału na godzinę, podczas gdy rozwiązanie oparte na drucie pozwala osiągnąć wynik nawet kilkunastu kilogramów. Jest to kluczowe przy szybkim wytwarzaniu dużych i złożonych komponentów.
Jak opanować płynny metal?
Największym wyzwaniem jest ujarzmienie praw fizyki, które w kosmosie działają inaczej niż na Ziemi.
– Fizyka całego procesu w stanie nieważkości różni się znacząco od tej ziemskiej. Bez grawitacji zmienia się sposób osadzania ponieważ kropla może nam „uciekać” o ile nie będzie wystarczającej lepkości. Inaczej przebiegać będzie chłodzenie materiału i jego krystalizacja, co może prowadzić do powstawania naprężeń, pęknięć lub błędów w strukturze metalu – tłumaczy dr Widomski. – Musimy więc przewidzieć, jak zachowa się ciekły metal, by uniknąć sytuacji, w której energia będzie zbyt niska, by stopić drut, lub zbyt wysoka, co prowadzi do jego rozpływania i zniekształcenia wyrobu. Dlatego konieczne są kilkuetapowe testy – od symulacji laboratoryjnych, przez sprawdzanie niezawodności systemów, aż po loty paraboliczne – wyjaśnia.
Urządzenie musi też spełniać rygorystyczne wymagania transportowe. Docelowa drukarka nie powinna być większa niż standardowa kuchenka mikrofalowa. Musi być przy tym wytrzymała na przeciążenia towarzyszące startowi rakiety.
– Na stacjach kosmicznych takich jak ISS są również ograniczone możliwości korzystania z energii elektrycznej. To dlatego całe urządzenie musi pracować przy mocy około 1 kilowata, co można porównać do zużycia prądu przez niewielki czajnik elektryczny. W tym limicie musi się zmieścić praca lasera topiącego metal, systemy chłodzenia, komputery sterujące oraz mechanizmy pozycjonujące – podkreśla dr Widomski.
Międzynarodowa współpraca i testy w kosmosie
Projekt „Lamda-g” jest efektem międzynarodowej współpracy. Liderem konsorcjum jest Uniwersytet w Manchesterze, a partnerami – obok Politechniki Wrocławskiej – są uczelnie z Cranfield i Dublina oraz Instytut Fizyki Materiałów w Kosmosie w Kolonii.
Kluczowy etap badań obejmuje testy podczas lotów rakiet suborbitalnych typu Maxus. Wystrzeliwane ze szwedzkiego ośrodka w Kirunie, pozwalają one na prowadzenie eksperymentów w warunkach mikrograwitacji przez około 15 minut.
– Planujemy być na miejscu, by nadzorować przygotowania i natychmiast po wylądowaniu przejąć próbki do szczegółowych analiz mikrostrukturalnych. Wyniki tych testów pozwolą na ostateczną kalibrację systemu, który docelowo ma być w pełni bezobsługowy. Astronauta, niebędący specjalistą od spawalnictwa, musi otrzymać urządzenie typu „plug and play”, które wykona zadanie po naciśnięciu jednego przycisku – zapowiada dr Widomski.
Prace mają potrwać do 2029 roku.
Źródło i fot.: Politechnika Wrocławska
