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Von Vanesa Listek, 3D Printing Europe North America Science & Technology Space 3D Printing

Durchbruch im Raketendesign

Aufbauend auf ihrer bestehenden Partnerschaft treiben NASA und Elementum 3D gemeinsam mit RPM Innovations und REM Surface Engineering die Entwicklung der Raketentechnologie voran. Im Mittelpunkt dieses Vorhabens steht eine 3D-gedruckte Raketendüse aus Aluminiumpulver von Elementum 3D. Die Düse wurde im vergangenen Oktober im Marshall Space Flight Center der NASA erfolgreich in einem Heißbrandtest getestet und hat dabei bewiesen, dass sie der intensiven Hitze und Belastung der Raumfahrt standhalten kann – ein bedeutender Fortschritt im Bereich des 3D-gedruckten Raketentriebwerksdesigns.

Dieses Projekt ist Teil der umfassenderen Initiative „Reactive Additive Manufacturing for the Fourth Industrial Revolution“ (RAMFIRE) der NASA, die sich auf neue Fertigungstechniken stützt, um Raketentriebwerke zu verbessern und effizienter zu gestalten. Durch die Umstellung von traditionellen Methoden auf den 3D-Druck mit Laser-Pulver-gesteuerter Energieabgabe (LP-DED) hoffen die NASA und ihre Partner, neue Wege zu finden, um komplexe, leistungsstarke Teile schneller und kostengünstiger herzustellen.

Aerospike-Düse von Elementum 3D für die NASA. Bild mit freundlicher Genehmigung von Elementum 3D

Was diesen Durchbruch besonders bemerkenswert macht, ist sein Potenzial, großformatige Düsen, einschließlich des sogenannten „schwer realisierbaren Aerospike-Designs“, näher an die Realität zu bringen. Im Gegensatz zu herkömmlichen glockenförmigen Düsen, die nur in einer Phase des Raketenflugs effizient sind, sorgt das Aerospike-Design dafür, dass die Abgasfahne der Rakete – der Strom heißer Gase, der aus dem Triebwerk ausgestoßen wird – entlang der Außenseite der Düse strömt.

Die glockenförmige Düse, die in den meisten Raketen verwendet wird, hat eine ausgestellte, glockenartige Form, die diese Gase aus dem Triebwerk leitet. Im Gegensatz dazu hat die Aerospike-Düse eine spitzenförmige Mitte, die sich über die gesamte Länge des Triebwerks erstreckt, sodass die Gase an der Außenseite entlangströmen können, anstatt in einer Glockenform eingeschlossen zu sein. Dieses Design ermöglicht es der Rakete, bei unterschiedlichen Höhen und Luftdrücken eine optimale Leistung aufrechtzuerhalten, indem sie sich beim Aufstieg durch die Atmosphäre entsprechend anpasst. Trotz dieser Vorteile wurde das Aerospike-Design bislang nicht in großem Umfang eingesetzt, da es mit herkömmlichen Methoden bekanntermaßen schwierig herzustellen ist – bis jetzt.

Ausschnitt der Oberfläche der Aerospike-Düse vor und nach dem Glätten. Bild mit freundlicher Genehmigung von Elementum 3D

Durch den 3D-Druck dieses komplexen Designs und dessen erfolgreiche Erprobung unter extremen Bedingungen demonstriert Elementum 3D das Potenzial der additiven Fertigung zur Bewältigung langjähriger Herausforderungen im Bereich der Raketentriebwerkskonstruktion. Auch hier spielte die Nachbearbeitung durch REM Surface Engineering, die die Oberfläche der Düse glättete und verfeinerte, eine entscheidende Rolle bei der Steigerung ihrer Haltbarkeit und Leistung. Dieser Erfolg des 3D-Drucks beweist nicht nur, dass das Aerospike-Konzept realisierbar ist, sondern öffnet auch die Tür für andere Designs, die Raketen und Nutzlastkapazitäten in zukünftigen Missionen verbessern könnten.

Materialprüfung für die Raumfahrt

Keramisches 3D-gedrucktes Bauteil zur Anbringung außerhalb der ISS. Bild mit freundlicher Genehmigung von 3DCERAM

Aufbauend auf der Dynamik dieser Fortschritte in der Raketentechnologie befasst sich die NASA auch mit dem nächsten entscheidenden Schritt: Erprobung der Leistungsfähigkeit neuer Materialien unter den rauen Bedingungen des Weltraums. Im Rahmen des Programms „Materials International Space Station Experiment“ (MISSE) wird 3DCERAM mit seinem C1000 Flexmatic Ceramic Printer, der für seine Präzision bei der Herstellung komplexer, hochwertiger Keramikteile bekannt ist, Keramikproben für die NASA produzieren. Diese Proben werden außerhalb der Internationalen Raumstation (ISS) montiert, wo sie sechs Monate lang den Herausforderungen des erdnahen Orbits (LEO) ausgesetzt sein werden.

Ein Astronaut platziert ein Bauteil außerhalb der ISS. Bild mit freundlicher Genehmigung von 3DCERAM

Dieses Experiment ist unerlässlich, um zu verstehen, wie sich 3D-gedruckte Keramik im Weltraum verhält. Die Ergebnisse könnten zur Entwicklung neuer Materialien für die Außenhaut von Raumfahrzeugen führen und damit den Weg für langlebigere und hitzebeständigere Komponenten ebnen, die den rauen Bedingungen der Raumfahrt standhalten, darunter Strahlenbelastung, extreme Temperaturen und Mikrogravitation.

C1000 Flexmatic Keramikdrucker. Bild mit freundlicher Genehmigung von 3DCERAM

3D-Druck von Medikamenten

Mit Blick auf die Zukunft bietet die Arbeit an der School of Pharmacy des University College London (UCL) einen Einblick, wie der 3D-Druck lang andauernde Weltraummissionen unterstützen könnte.

Ein kürzlicher Besuch von Dr. J.D. Ein kürzlich erfolgter Besuch von Dr. J.D. Polk, Chief Health and Medical Officer der NASA, und Dr. Neal Zapp, Manager der NASA Health and Medical Authority, im 3D-Drucklabor der UCL und bei FabRx – einem Spin-off der UCL, das sich auf pharmazeutischen 3D-Druck spezialisiert hat – verdeutlichte das Potenzial dieser Technologie für die bedarfsgerechte Herstellung von Medikamenten im Weltraum.

NASAs J.D. Polk und Neal Zapp bei FabRx und UCL. Bild mit freundlicher Genehmigung von FabRx

FabRx, das eng mit den Forschungsaktivitäten der UCL verbunden ist, ist führend in der Entwicklung innovativer Lösungen für die personalisierte Medizin, die für Langzeit-Weltraummissionen von entscheidender Bedeutung sein könnten. Schließlich würde die Möglichkeit, personalisierte Medikamente in einer Tiefraumumgebung nach Bedarf in 3D zu drucken, einen entscheidenden Unterschied für Missionen zum Mars oder darüber hinaus bedeuten, wo es nicht möglich ist, eine vollständige Apotheke mitzuführen. Stattdessen könnte diese Technologie sicherstellen, dass Astronauten Zugang zu den benötigten Behandlungen haben, die auf ihre spezifischen Anforderungen zugeschnitten sind, ohne dass sperrige medizinische Vorräte erforderlich sind.

In Zusammenarbeit mit der Universidade de Santiago de Compostela und der School of Pharmacy der UCL hat FabRx bereits einen umfassenden Bericht über den Stand der Arzneimittelverabreichung im Weltraum und die Zukunft der pharmazeutischen Herstellung außerhalb der Erde veröffentlicht. Dieser Bericht unterstreicht die wachsende Notwendigkeit, zu überlegen, wie Astronauten während Langzeitmissionen Zugang zu lebenswichtigen Medikamenten erhalten können.

NASAs J.D. Polk und Neal Zapp bei FabRx und UCL. Bild mit freundlicher Genehmigung von FabRx

Förderung zukünftiger Talente

Schließlich bringt das Programm „Mentoring and Opportunities in STEM with Academic Institutions for Community Success“ (MOSAICS) der NASA neue Talente in die Weltraumforschung. Durch die Unterstützung von Studierenden aus unterrepräsentierten Gemeinschaften und kleineren Einrichtungen trägt MOSAICS dazu bei, eine vielfältigere und innovativere STEM-Belegschaft aufzubauen, die zur Mission der Behörde beiträgt.

Kürzlich vergab die NASA 6 Millionen US-Dollar an 20 Teams aus aufstrebenden Forschungseinrichtungen in den Vereinigten Staaten, die bisher nicht an den Forschungsbemühungen der Behörde beteiligt waren – darunter Einrichtungen für hispanische Studierende, historisch schwarze Universitäten sowie Einrichtungen für asiatisch-amerikanische und indianisch-amerikanische Studierende aus dem Pazifikraum.

Mosaics-Projekt wurde ausgewählt, um weiche Materialien für Weltraumanwendungen zu untersuchen. Bild mit freundlicher Genehmigung von Ubaldo M. Córdova-Figueroa über LinkedIn

Zu diesen Projekten gehört die an der Universität von Puerto Rico-Mayaguez durchgeführte Forschung zum Thema „Controlled Assembly of Amphiphilic Janus Particles in Polymer Matrix for Novel 3D Printing Applications in Space” (Kontrollierte Anordnung amphiphiler Janus-Partikel in Polymermatrizen für neuartige 3D-Druckanwendungen im Weltraum). Unter der Leitung des Hauptforschers Ubaldo Cordova-Figueroa konzentriert sich diese Forschung auf die Verwendung weicher Materialien, die aus Janus-Partikeln in Polymermatrizen bestehen und die Materialeigenschaften für Weltraumanwendungen potenziell verändern können. Die Projekte wurden in Zusammenarbeit mit dem Glenn Research Center der NASA und der Purdue University durchgeführt und zielen darauf ab, neuartige 3D-Druckanwendungen zu entwickeln, die eines Tages im Weltraum eingesetzt werden könnten.