1. oldal

Egy nemrégiben rendezett, az űrrepülés jövőjével foglalkozó konferencián egy Jason Dunn nevű úriember felszólalásában kifejtette a legfőbb okát annak, hogy ötven évnyi űrutazás után az emberiség miért nem telepedett meg még másik égitesteken. „Minden ember által készített objektum, amely valaha is az űrben járt, a Földön épült, és onnan indult útjára” ‒ mondja az üzletember. „Mindez pedig óriási mértékben korlátozza, hogy mit tehetünk meg az űrben, hiszen csak olyan eszközöket küldhetünk fel, amelyek kibírnak egy kilövést. Hogyan lehetne azt a problémát megkerülni?” Dunn javaslata: ne a Földön építsük meg az űrben szükséges felszereléseket.

Dunn cége, a Szilícium-völgyben található Made In Space Inc. egy olcsó és egyszerű módszer bevetése révén forradalmasítaná az űreszközök gyártását: az űrben történő 3D nyomtatással. Ez utóbbi iparág „földi” változata azzal kecsegtet, hogy örökre átformálja a gyártási folyamatok sebességét és költségeit, a repülőgép-alkatrészek előállításától kezdve az előre gyártott épületelemek létrehozásáig minden területen. Egyelőre elméleti síkon megközelítve a dolgot, még ennél is nagyobb hatással lehet az űriparra. Egy Föld körüli pályán „nyomatott” marsszondát például harminc százalékkal könnyebbre lehetne építeni, mivel annak nem kell kibírnia egy rakétás kilövés erőhatásait. Az emberi bolygóközi utazásokra nem kellene pótalkatrészeket cipelni magukkal a felfedezőknek, hiszen bármikor legyárthatják ezeket, így több hely marad az élelem, a víz és az oxigén számára. A 3D nyomtatás nemcsak, hogy sokkal könnyebbé tenné az űr felfedezését, de akadnak olyan célpontok is, amelyek elérése szinte elképzelhetetlen a technológia felhasználása nélkül.

Napjainkban mindössze egy maroknyi szakértő igyekszik űrképessé tenni ezt a rendkívül praktikus gyártási módszert, különböző irányokból közelítve meg a problémát. A Made In Space által kifejlesztett prototípus egy fúvókán keresztül polimer alapú anyagot fecskendez ki, és így nyomtat egyszerű műanyag tárgyakat.

Más 3D nyomtatók egyéb alapanyagokat használnak, ez lehet valamiféle por, fém, de akár üveg is. Karen Tamiger, a NASA Langley Kutatóközpontjában egy fémnyomtató-technológián dolgozik, amely az EBF3 (Electron Beam Freeform Fabrication) névre hallgat. Ennek során egy vákuumkamrában hevítenek fel és formálnak a kívánt alakra egy elektronsugárral folyamatosan adagolt nyersanyagot (valamilyen fém huzalt), amelyhez így a hagyományos gyártási folyamatokhoz képest sokkal kevesebb elektromosság és nyersanyag szükséges. Míg egy 150 kilogrammos titánium szerkezeti elem kialakításához egy körülbelül 3000 kilogramm tömegű anyagtömb szükséges (a fel nem használt elemeket pedig újra fel kell dolgozni), addig az EBF3 módszerével ehhez elég 175 kilogrammnyi nyersanyag. A módszer Taminger véleménye szerint azért is ideális lenne az űrben való gyártásra, mivel ott az elektronsugár működéséhez szükséges vákuum „ingyen van.” A kutató reméli, hogy rövidesen a Nemzetközi Űrállomáson is tesztelheti a technológiát.

Az EBF3 jelenlegi változata a NASA Fabrication Shop nevű épületében áll, számos más 3D nyomtató mellett, amelyek gélből, huzalokból vagy műanyagból gyártanak különféle tárgyakat. A figyelemre méltó gépsorból méreteivel is kitűnik az EBF3, amely jelenlegi összeállításában körülbelül ötven tonnát nyom, és így is csak relatíve kisméretű fémobjektumokat képes nyomtatni (90 x 60 x 60 cm). „Ez a rendszer nem megy sehova” ‒ mondja Taminger. A kutató és kollégái azonban építettek egy kisebb méretű verziót is, amely mindössze egy tonnát nyom, jelenleg pedig egy 450 kg körüli változaton dolgoznak. A végső verzió pedig már vákuumkamrát sem igényel majd, hiszen az űrállomáson kívül fog operálni.

A 3D nyomtatás űrbéli alkalmazásának legfontosabb területe a pótalkatrészek és szerszámok legyártása lehet. És hogy erre mekkora igény lenne, azzal kapcsolatban elég, ha felidézzük a legutóbbi, hírhedté vált szerelési akciót, amikor alkalmas szerszámok hiányában egy átalakított fogkefével voltak kénytelenek megoldani egy triviális problémát az ISS asztronautái. Ha odafenn elromlik vagy elveszik valami, a legénység sokszor heteket várhat annak pótlására. Egy működő 3D nyomtató mellett viszont csak némi nyersanyagra és egy CAD-fájlra van szükség, és máris elkészíthető a kívánt eszköz.

„Az egyik általunk használt alapanyag az alumínium 2219-es anyagszámú ötvözete, amelyből az egész űrállomás felépült” ‒ mondja Taminger. A végső cél az lenne, hogy egy olyan méretű rendszert hozzanak létre, amely gyakorlatilag kézi készülékként üzemeltethető, és ha valami gond van, az űrhajós egy űrséta alkalmával egyszerűen a helyszínre viheti, és ott helyben elvégezheti a szükséges javításokat, például kijavíthatja a mikrometeoritok által okozott károkat a külső paneleken. 

2. oldal

A Johnson Űrközpontban rendszeresen szimulációkat futtatnak arra vonatkozóan, hogy várhatóan mely felszerelések mondják fel a szolgálatot legközelebb az ISS fedélzetén. Minden ilyen szimulációs gyakorlat azzal végződik, hogy az alkatrészek öt százalékát cserélni kell. A probléma az, hogy minden egyes alkalommal más-más részek esnek ebbe az öt százalékba. Meg lehet tehát próbálni jóslatok bocsátkozni arra vonatkozóan, hogy mire lesz legközelebb szükség, de jó eséllyel téved az ember. Taminger szerint a szimulációból egy dolog kiderül: egy felküldött 3D nyomtató, és az alkatrészek öt százalékának legyártásához szükséges nyersanyag felküldésével rengeteg gondtól szabadulna meg minden érintett. Az űrhajósok megkapnák az összes cserélhető alkatrész CAD-fájlját, és a helyszínen kinyomtatnák azt, ami tényleg elromlik.

Még fontosabb lehet egy hasonló stratégia kidolgozása az eljövendő Mars-utazásra, ahol a résztvevők egyáltalán nem számíthatnak arra, hogy majd valaki utánuk viszi a pótalkatrészeket. Taminger kalkulációi szerint egy jelenlegi protokollok szerint tervezett Marsra irányuló küldetés durván húsz tonnányi gépet vinne magával, ami azt jelenti, hogy minden eshetőségre számítva további húsz tonna pótalkatrészt is el kellene csomagolni. Ha azonban az előbb emlegetett szimulációk alapján feltételezzük, hogy ezen alkatrészeknek csak tíz százalékára lesz szükség, és van a fedélzeten egy 3D nyomtató, akkor elegendő két tonna nyomtatható nyersanyagot magával vinni a hajónak. A nyomtató további előnye, hogy alkalmasint régi darabok anyagából is képes lehet új alkatrészeket gyártani.

És persze olyan esetekben is jól jöhet egy 3D nyomtató, amikor valamilyen teljesen új szerszámra van szükség egy felmerülő probléma megoldásához. Jason Dunn ennek kapcsán felidézte a csaknem katasztrófába torkolló Apollo–13 küldetést, amikor a meghibásodott űrhajóról a holdkompba átszálló legénység kifogyott az egység saját rendszerében használható lítium-hidroxid szűrőkből, amelyek az általuk kilélegzett szén-dioxidot semlegesítették volna. A parancsnoki modul is rendelkezett ugyan hasonló szűrőkkel, ezek azonban nem voltak kompatibilisek a holdkompba installált konstrukcióval, ugyanis négyszögletesek voltak, szemben a holdkomp kerek szűrőivel. A legénység végül mintavételi zsákokból, kartondarabokból, a szkafanderekhez tartozó csövekből és nagy mennyiségű ragasztószalagból tákolta össze azt az ideiglenes szűrőházat, amelynek révén lehetővé vált a szűrők használata. Ha a problémát akkor nem sikerül megoldani, az űrhajósok megfulladtak volna a hazaúton.

Az űrállomásra kerülő 3D technológiának a gyakori személyzetváltások, valamint az állandó időhiány miatt mindenképpen könnyen használhatónak és nagyrészt automatizáltnak kell lennie. Taminger elmondása szerint a Made In Space-hez hasonló cégek bevonásának az egyik nagy előnye, hogy felhasználóbarát szemléletet hoznak az űriparba. A hasonló magáncégek rengeteg különböző külső megrendelőnek dolgoznak, így nagyon sokfajta igényt kell kielégíteniük. A kereskedelmi szemléletmódra pedig nagy szükség van, vallja be Taminger. A NASA által fejlesztett 3D nyomtatókat általában ugyanazok a mérnökök üzemeltetik, akik tervezték és megépítették ezeket, így a mások általi átláthatóság és az egyszerű használati mód rendszerint nem tartozik erősségeik közé.

A 3D nyomtatás űrbéli alkalmazásának megkezdéséhez még rengeteg a tennivaló. Az EBF3 rendszerét már tesztelték rövid ideig fennálló súlytalanságban (működik), de a keletkező, időnként veszélyes melléktermékek biztonságos űrbéli kezelésének problémája például még megoldásra vár. Taminger és kollégái továbbá tíz éve dolgoznak azon, hogy az EBF3 révén legyártott alkatrészek minden esetben megfeleljenek a NASA által meghatározott biztonsági és minőségi előírásoknak, hiszen ha a technológia valóban bevetésre kerül, a legyártott tárgyak minden tesztelés nélkül azonnal használatba kerülnek majd. Megbízhatóságuktól életek függnek, így garantálni kell az elvárt minőséget.

Más kutatócsoportok is munkálkodnak az űrképes 3D nyomtatás megvalósításán. Az olaszországi Thales Alenia Space gárdája is ezek közé tartozik, a cég gyártotta le az ISS több modulját és a NASA gyakori szerződött partnere. Giorgio Musso kutató nemrég részletes jelentést nyújtott be az Európai Űrügynökségnek a 3D nyomtatás témájáról. Kollégáival úgy találták, hogy egyes alkatrészek jobb minőségűek, ha a 3D technológiával készülnek, mintha hagyományos gyártási eljárással hoznák létre ezeket. Vannak ugyanakkor olyan darabok is, amelyek minőségén még jelentősen javítani kell, mielőtt használhatóak lennének az űrben. Musso is szívesen tesztelne valamikor egy 3D nyomtatót az ISS fedélzetén, jelenleg azonban elsősorban azzal foglalkozik, hogy a földi gyártást tegye gyorsabbá és olcsóbbá a technológia révén. 

3. oldal

A Made In Space az űripar egyik nagyreményű újoncának számít, rendszeres fejlesztési támogatást kap a NASA-tól és folyamatosan további befektetőket keres tervei megvalósításához. Az ambiciózus cég hosszú távú célja Alison Lewis kreatív igazgató elmondása szerint, hogy bármit le tudjanak gyártani az űrben, magától az űrhajótól kezdve az azon használatos szerszámokig. Egyébként mind Dunn, mind Lewis a Singularity University-n végezte tanulmányait, amelyet 2007-ben alapítottak a Szilícium-völgy technológiai cégóriásai.

A Dél-kaliforniai Egyetem mérnöke, Behrokh Khoshnevis kicsit másfajta, bár az alapelképzelést tekintve nagyon is hasonló álmokat dédelget. A NASA innovatív elképzelésekkel foglalkozó központjának (NIAC) támogatásával egy nagyléptékű additív gyártórendszer fejlesztésén dolgozik, amellyel egész épületeket „nyomtatna” a Holdon. A Contour Crafting nevű eljárás a Hold anyagát, azaz regolitot használna nyersanyagként, esetlegesen olvadt kénnel keverve, amely elemből szintén bőséges készletek vannak a helyszínen. Így semmiféle földi építőanyag odaszállítására nem lenne szükség.

Jelenleg még elég kevés az űrbéli gyártómódszereken dolgozó cégek száma, de így nagy problémát jelent, hogy az egyetlen hely, ahol megfelelően tesztelni tudják majd fejlesztéseiket a Nemzetközi Űrállomás, elvégre nulla gravitációs repülési kísérletekkel és szuborbitális rakétautakkal nem lehet megvalósítani egy ilyen műszer alapos teszteléséhez elegendő ideig fennálló súlytalanságot.

A Made In Space legkorábban 2014-re tervezi, hogy feljuttat egy prototípust az ISS-re. Taminger kutatócsoportja némileg előrébb jár, ők rögtön egy teljesen funkcióképes rendszert akarnak felküldeni, amelyet az űrhajósok azonnal használatba is vehetnek, ehhez azonban további pénzügyi forrásokra lesz szükségük. Ha megkapják a pénzt, akkor viszont véleményük szerint két éven belül az űrállomáson lehet a berendezés.

Musso elmondta, hogy a hasonló projektek támogatottsága sajnos Európában sem jobb. Más technológiák, például a hosszú űrutazások során a legénység létfenntartását biztosító rendszerek fejlesztése sokkal nagyobb hangsúlyt és több pénzt kap, mint bármiféle additív gyártórendszer. Amikor a NASA versenybe szállt a holdraszállásért, az ügynökség mérnökei bármilyen ezt elősegítő őrült ötlet megvalósítására megkapták a szükséges anyagiakat. Taminger is egyetért abban, hogy ma már sokkal konzervatívabb elveket vall a NASA, és nem nagyon hajlandók kockázatot vállalni az új technológiák kipróbálásával, még akkor sem, ha azokban megvan a lehetőség az egész űripar átformálására.

A Made In Space pontosan ezért fordult a privát szektorhoz, remélve, hogy egy kicsit felpörgetheti az eseményeket. Legutóbbi tesztjük során egy módosított Boeing 727-et reptettek parabola pályán, és a nem egészen egy percig fennálló súlytalan időszakok alatt több tárgyat is sikerült kinyomtatniuk, köztük az első szerszámot is: egy villáskulcsot. A művelet összesen nyolc percet vett igénybe, és a kész szerszámot egy súlytalan szakaszban rögtön ki is próbálták, egy csavar meglazításával demonstrálva annak használhatóságát.

„Szóval csináltunk egy használható szerszámot” ‒ meséli Dunn némi hitetlenkedéssel a hangjában. Kis lépés egy embernek…