L'astronauta della NASA Barry (Butch) Wilmore tiene in mano una chiave a cricchetto creata nel 2014 con la stampante 3D a bordo della Stazione Spaziale Internazionale utilizzando un file di progettazione trasmesso da terra. Credito:NASA
La Stazione Spaziale Internazionale ospita continuamente gli astronauti da più di diciannove anni. Gli astronauti conducono ricerche scientifiche utilizzando dozzine di strutture speciali a bordo della stazione spaziale, che fornisce loro anche un posto dove mangiare, dormire, rilassati e fai esercizio. Per rendere possibile tutto questo è necessario inviare più di 7, 000 libbre di pezzi di ricambio alla stazione ogni anno. un altro 29, 000 libbre di ricambi hardware per voli spaziali sono immagazzinate a bordo della stazione e altre 39, 000 a terra, pronto a volare se necessario.
Questo sistema di supporto logistico funziona bene per un veicolo spaziale che orbita a 250 miglia sopra la Terra e facilmente accessibile alle missioni di rifornimento del carico. Non è pratico per future missioni sulla Luna e su Marte, però. Gli astronauti in questi lunghi viaggi devono essere in grado di fabbricare i propri pezzi di ricambio, strumenti e materiali essenzialmente on demand, sia per esigenze di routine che per adattarsi rapidamente a quelle impreviste. La produzione nello spazio (ISM) che utilizza la tecnologia di stampa 3D potrebbe essere una risposta.
Il progetto ISM presso il Marshall Space Flight Center (MSFC) della NASA e i suoi partner commerciali stanno utilizzando la stazione spaziale per testare varie tecnologie per fornire questa capacità. Il gruppo di modellazione basato sulla fisica del NASA Ames Research Center fornisce analisi aggiuntive e supporto per la modellazione.
Il progetto ha inviato la prima stampante 3D alla stazione spaziale nel 2014. Sviluppato da Made in Space, questa stampante utilizzava un processo di fabbricazione del filamento fuso (FFF), alimentare un filo continuo di plastica attraverso un estrusore riscaldato e su un vassoio strato dopo strato per creare un oggetto tridimensionale. L'indagine sulla stampa 3D in Zero G ha prodotto dozzine di parti, che i ricercatori hanno analizzato e confrontato con quelli realizzati sul terreno. L'analisi ha rivelato che la microgravità non ha avuto effetti significativi dal punto di vista tecnico sul processo, dimostrando che una stampante 3D funziona normalmente nello spazio e aprendo la strada a nuovi sistemi logistici per missioni di lunga durata.
L'astronauta della NASA Anne McClain installa il ReFabricator sulla stazione spaziale nel febbraio 2019. La stampante è stata sviluppata per testare la tecnologia per il riciclaggio di materiali plastici di scarto in filamenti di stampanti 3D di alta qualità. Credito:NASA
"La nostra ipotesi attuale basata sul lavoro svolto finora è che questo particolare processo di stampa 3D non è influenzato in modo significativo dalla microgravità, " ha detto la co-investigatrice Tracie Prater, un ingegnere dei materiali presso MSFC. "C'erano alcune differenze nei set di campioni di volo e di terra, che sono probabilmente attribuibili alla variabilità intrinseca nelle build successive comune ai processi di produzione additiva. Come in ogni processo, è importante avere un buon controllo del processo. L'idea con la dimostrazione tecnologica era di mostrare che puoi farlo in condizioni di microgravità, e l'unico modo per testarlo era operare nel tempo sulla stazione."
Made in Space ha poi sviluppato l'Additive Manufacturing Facility (AMF), che può stampare utilizzando una varietà di materiali, compresi i tecnopolimeri. Una seconda indagine, Valori di progettazione AMF-ABS, parti create con questa stampante sulla stazione spaziale, ancora per confronto con quelli fatti a terra. "Abbiamo stampato un certo numero di campioni e stiamo scrivendo l'analisi, " ha detto Prater. "Abbiamo adottato un approccio di test diverso, esaminando l'effetto della disposizione dei filamenti sulle proprietà e sulla consistenza della parte. Una sfida è che in realtà non esistono standard fermi su come testare i materiali stampati in 3D, ma varie organizzazioni, compresa la NASA, stanno lavorando sulle procedure di test".
Una delle prime parti stampate sulla stazione spaziale durante la stampa 3D in Zero G, una chiave inglese, dimostrato che era possibile inviare a distanza un progetto da terra a un sistema di produzione a più di 200 miglia sopra. Oltre alle sue corse di prova, l'AMF ha stampato diversi articoli funzionali, compresa una parte dell'antenna, un adattatore per tenere una sonda in una presa d'aria sul sistema di generazione di ossigeno della stazione, e una parte per collegare due SFERE, robot volanti utilizzati per la ricerca sulla stazione spaziale.
L'utilizzo di materiale riciclato per le materie prime delle stampanti potrebbe evitare che future missioni di esplorazione di lunga durata debbano trasportare una grande scorta di materiale per la stampa 3D. Il riciclaggio potrebbe anche fare uso di materiale che altrimenti rappresenterebbe un fastidio o un problema di smaltimento dei rifiuti in queste missioni. Come passo verso tale capacità, l'indagine ReFabricator dimostra la tecnologia sviluppata da Tethers Unlimited per riciclare i materiali plastici di scarto, compresi gli articoli stampati in precedenza, in un filamento di stampante 3D di alta qualità. Ha iniziato le operazioni sulla stazione spaziale nel febbraio del 2019.
L'hardware Made in Space Recycler preparato per il lancio sulla stazione spaziale per testare il ritrattamento della plastica in un filamento di stampa 3D. Credito:realizzato nello spazio, Inc.
"Questa è una parte importante del programma, riutilizzare il materiale che hai piuttosto che dover inviare più materie prime, " disse Prater.
Recentemente, il Made in Space Recycler è stato lanciato sulla stazione spaziale per un'indagine su quali materiali sono più efficaci per il riciclaggio in filamenti di stampa 3D e quali possono resistere a molteplici usi senza degradarsi. Questa indagine è finanziata e condotta attraverso l'ISS National Lab.
Il progetto ISM sta anche lavorando allo sviluppo di materie plastiche ad alta resistenza e processi di ridimensionamento che utilizzano il metallo in base alle dimensioni e ai limiti di potenza della stazione spaziale. "Se guardi alle parti di cui potresti aver bisogno per la produzione su richiesta di pezzi di ricambio nelle missioni di esplorazione, molti sono di metallo, quindi questa è la prossima grande spinta, " disse Prater.
Un'altra sfida è l'ispezione in orbita di parti realizzate nello spazio, lei disse. "Se hai intenzione di usare una parte, devi sapere che soddisfa i requisiti per l'uso previsto."
In definitiva, ISM è fondamentale per le future missioni di esplorazione, e testare questi sistemi di produzione sulla stazione spaziale apre la strada a consentire a tali missioni di essere più indipendenti dalla Terra. Con i numerosi partner commerciali del progetto, rappresenta anche un aspetto importante delle iniziative di commercializzazione dell'orbita terrestre bassa della NASA. Senza contare che libera tutto quello spazio precedentemente utilizzato per immagazzinare i pezzi di ricambio.
