V rámci zásobovací mise lodi Cygnus NG-20 se na oběžnou dráhu vydala 3D tiskárna pracující nikoliv s plastem, ale kovem. Za tímto v kosmonautice prvním krokem svého druhu, stojí Evropská kosmická agentura ESA. „Tato nová 3D tiskárna kovových dílů představuje světové prvenství. Přichází v čase rostoucího zájmu o výrobu v kosmickém prostředí,“ vysvětluje Rob Postema z ESA a dodává: „3D tiskárny na bázi polymerů se již na oběžnou dráhu dostaly a na palubě ISS se používají. Plastový materiál se v tiskové hlavě ohřívá a poté je uložen na požadované místo, čímž vrstvu po vrstvě vzniká požadovaný tvar. 3D tisk kovu představuje větší technologickou výzvu, protože pracuje s mnohem vyššími teplotami a kov se taví pomocí laseru. Kvůli tomu je potřeba zajistit bezpečí posádky i stanice samotné, ačkoliv možnosti údržby jsou vlemi omezené. Pokud však projekt uspěje, mohly by pevnost, vodivost a tuhost kovu poslat kosmický 3D tisk na novou úroveň.“

Po připojení lodi Cygnus k ISS má přípravu a instalaci zhruba 180 kilogramů těžkého zařízení na starost astronaut agentury ESA, Andreas Mogensen. 3D tiskárna bude uložena v modulu Columbus do přístrojové skříně European Draw Rack Mark II. Po instalace dojde ke kontrole systémů tiskárny, přičemž vše se bude sledovat ze Země. Pokud vše dopadne dobře, bude moci začít tisk za dohledu Andrease Mogensena. Demonstrátor kovového 3D tisku vytvořil tým vedený zástupci Airbus Defence and Space SAS. Tato společnost se zároveň do procesu zapojila i finanční podporou. Celý projekt je realizován pod křídly ředitelství ESA pro pilotovaný a robotický průzkum.

„Tato demonstrace na oběžné dráze je výsledkem blízké spolupráce mezi ESA a malým, dynamickým týmem inženýrů z Airbusu,“ popisuje Patrick Crescence, projektový manažer firmy Airbus a dodává: „Není to však pouze krok do budoucnosti, ale doslova skok v inovacích kosmického průzkumu. Tento demonstrátor má vyšlapat cestu k výrobě komplexnějších kovových struktur v kosmickém prostoru. Právě to by mělo být klíčovým aspektem pro zajištěný průzkum Měsíce a Marsu.“ Na ISS dopravená tiskárna bude k výrobě používat typ nerezové oceli, která se používá v medicínských implantátech, nebo čističkách vody, jelikož dobře odolává korozi.

Drát z nerezové oceli je přiváděn do tiskové oblasti, kde jej zahřeje výkonný laser, u kterého agentura ESA uvádí, že je přibližně milionkrát silnější než průměrné laserové ukazovátko. Jakmile se drát ponoří do roztavené „loužičky“ taveniny, dojde k roztavení jeho konce a k výtisku tak přibude další trocha kovu. Advenit Makaya, materiálový inženýr z ředitelství ESA pro technologie, strojírenství a kvalitu, poskytl tento popis celého projektu: „Oblast roztaveného materiálu je velmi malá – jen zhruba milimetr v průměru – takže povrchové napětí roztaveného kovu jej v mikrogravitaci bezpečně udrží na místě. K tavení nerezové oceli dochází při zhruba 1400°C, takže tiskárna pracuje v plně uzavřeném boxu, což brání teplu i výparům dostat se k posádce stanice. A ještě než proces tisku započne, je kyslík z útrob tiskárny odveden pryč  nahrazen dusíkem. Horká nerezová ocel by totiž po vystavení kyslíku zoxidovala.“

K otestování výkonosti kovové 3D tiskárny byly vybrány čtyři zajímavé tvary. Tyto vytvořené objekty budu porovnány se svými protějšky stejného tvaru, které se vytisknou na Zemi – půjde o takzvané referenční výtisky. Porovnání obou dílů pak ukáže, jak podmínky na oběžné dráze ovlivňují proces tisku. Všechny čtyři naplánované objekty jsou menší než nápojová plechovka a každý z nich váží méně než čtvrt kilogramu. Jejich tisk však zabere mezi 2 – 4 týdny. Nebude se totiž tisknout nonstop. Důvodem jsou především předpisy spojené s hlukem na ISS. Motor a větráky tiskárny jsou prý poměrně hlučné.

Jakmile bude požadovaný tvar dokončen, Andreas jej vyjme z tiskárny a zabalí pro bezpečný návrat na Zemi, kde proběhne kontrola a zkoušky objektu. Vědci budou chtít hlavně porozumět rozdílům v kvalitě a výkonnosti 3D tisku na oběžné dráze oproti pozemskému. Jeden referenční a kosmický výtisk, které jsou součástí vyhrazeného nástroje, zamíří do střediska přípravy evropských astronautů EAC v Kolíně nad Rýnem. Další dva budou předány technologickému středisku agentury ESA, tedy ESTECu, kde už tým z Laboratoře materiálů a elektrických součástek očekává tyto vzorky. Vytištěné díly zde budou podrobeny makro- i mikroanalytickým metodám. Poslední výtisk zamíří na Dánskou technickou univerzitu, která navrhla jeho tvar a bude studovat jeho tepelné vlastnosti. Tento výzkum souvisí se získáváním zkušeností například pro budoucí držáky antén.

„Jakožto projekt pro technologickou demonstraci je naším cílem prokázat potenciál 3D tisku v kosmickém prostoru,“ vysvětluje Rob Postema a dodává: „Do této chvíle jsme se už dozvěděli mnoho věcí a věříme, že se toho ještě hodně naučíme na cestě k tomu, aby se výroba a montáž ve vesmíru staly praktickou záležitostí.“ Jedním z cílů agentury ESA pro budoucí rozvoj je vytvoření cirkulární kosmické ekonomiky, ve které se materiály na oběžné dráze recyklují, aby byly zdroje lépe využity. Jednou z možností pro budoucnost je využívání dílů ze starých družic pro nové nástroje nebo struktury. Tato 3D tiskárna by eliminovala nutnost posílat na raketě potřebné nástroje. Astronauti by si mohli potřebné pomůcky vytisknout sami.

Tommaso Ghidini, vedoucí Mechanického oddělení agentury ESA poznamenává: „Kovový 3D tisk v kosmickém prostředí je nadějnou technologií pro podporu budoucích průzkumných aktivit. Může však také přispět k udržitelnějším vesmírným aktivitám prostřednictvím výroby přímo na místě, oprav a třeba také recyklace vesmírných struktur pro širokou škálu dalších aplikací. To zahrnuje výrobu a montáž rozsáhlé infrastruktury na oběžné dráze i dlouhodobé osídlení jiných planet lidmi. Na tyto aspekty se zaměřují nadcházející technologické iniciativy ESA.“ Thomas Rohrm. který dohlíží na oddělení ESA pro materiály postupy doplňuje: „Tato technologická demonstrace, která představí zpracování kovových materiálů v mikrogravitaci, vyšlape cestu budoucím výpravám, které budu vyrábět potřebnou infrastrukturu mimo naši planetu.“

Přeloženo z:
https://www.esa.int/

Zdroje obrázků:
https://www.esa.int/…/Metal_3D_printer_for_the_International_Space_Station.jpg
https://www.esa.int/…/ISS_Metal_3D_Printer_in_operation.gif
https://www.esa.int/…/Metal_3D_printer_test_print.png
https://www.esa.int/…/Andreas_Mogensen_portrait.jpg