Đi sâu vào không gian không trọng lực trong tương lai với phương pháp in 3D

Phòng thí nghiệm vi trọng lực duy nhất bị chiếm đóng vĩnh viễn trên ISS đã cho phép các nhà nghiên cứu và phi hành đoàn thực hiện hàng trăm giờ thí nghiệm, chứng minh lý thuyết và tiết lộ các hiện tượng chưa giải thích được trước đây. Họ thậm chí đã thực hiện những bước đầu tiên để hiện thực hóa các yêu cầu đối với một trạm in 3D vi trọng lực theo yêu cầu ngoài Trái đất.

ISS cung cấp một điểm khởi đầu có giá trị để thúc đẩy tiềm năng của công nghệ in 3D cho không gian. Theo nhà khoa học trưởng Kirt Costello của ISS , “trong không gian, bạn không có đối lưu do lực đẩy. Những thứ nóng không nổi lên so với những thứ lạnh hơn, vì vậy, rất nhiều lần, có thể dẫn đến những khám phá khi bạn làm khoa học vật liệu, đặc biệt là liên quan đến việc nấu chảy hoặc xử lý vật liệu. Vì vậy, đã có những tiến bộ trong đó con người xem xét các vật liệu mới trong không gian và làm thế nào để tạo thành các vật liệu mạnh hơn và có lợi thế hơn bằng cách sử dụng vi trọng lực như một trong những yếu tố. ”

Với khả năng hỗ trợ hậu cần trên Trái đất cực kỳ hạn chế, khả năng in 3D có thể trở thành một trong những công nghệ quan trọng nhất trong không gian. Các sứ mệnh bay trên không gian ngày nay yêu cầu Cơ quan Hàng không và Vũ trụ Quốc gia (NASA) gửi hơn 7.000 pound phụ tùng lên ISS mỗi năm. Trong khi 29.000 pound phụ tùng phần cứng máy bay không gian khác được lưu trữ trên nhà ga và 39.000 đang chờ đợi trên mặt đất, sẵn sàng bay nếu cần.

hệ thống hậu cần này có thể làm việc tốt cho một tàu vũ trụ được quay quanh 250 dặm phía trên Trái đất, nhưng đối với sứ mệnh tương lai đến mặt trăng, sao Hỏa, và xa hơn nữa, điều này chỉ đơn giản là không khả thi. Mất khoảng ba ngày để một tàu vũ trụ đến được Mặt trăng và với chi phí 10.000 USD / pound, bất kỳ thuộc địa nào của Mặt trăng sẽ trở thành một công việc rất tốn kém rất nhanh chóng. Phi hành đoàn sẽ cần tự chế tạo phụ tùng, công cụ và vật liệu. Do đó, việc cho phép sản xuất theo yêu cầu với các nguyên liệu thô phổ biến là điều cần thiết, với một số nhà nghiên cứu đang khám phá việc sử dụng nhiều loại nguyên liệu phế thải tái chế trên tàu làm nguyên liệu.

Máy in 3D trong không gian đầu tiên

Cho đến nay, trạm vũ trụ đã nhận được một số thí nghiệm in 3D và nền tảng hệ thống in 3D. Vào mùa thu năm 2014, NASA và Made In Space (MIS) đã thực hiện cuộc trình diễn đầu tiên về sản xuất trên quỹ đạo bằng cách sử dụng máy in chế tạo dây tóc hợp nhất (FFF) như một phần của Nhiệm vụ Trình diễn Công nghệ Zero-G. Sau khi được lắp đặt trong Hộp đựng găng tay khoa học trọng lực siêu nhỏ của ISS - một cơ sở được niêm phong cho các cuộc điều tra - máy in đã được thiết lập để hoạt động ngay lập tức, thậm chí còn tạo ra cờ lê 3D đầu tiên được in trên ISS bởi  Chỉ huy Barry “ Butch ” Wilmore .

Mục tiêu chính của nhiệm vụ là chứng minh các chức năng hoạt động quan trọng của máy in, cũng như đánh giá tác động của vi trọng lực đối với kết quả vật chất với quy trình FFF bằng cách sản xuất các bài kiểm tra tính chất cơ học và các công cụ chức năng, và cuối cùng, để chứng minh khả năng điều khiển từ xa. Theo phân tích của NASA, sau một thí nghiệm nghiên cứu so sánh kéo dài 4 năm, trong đó cơ quan vũ trụ chế tạo các công cụ và các vật thể khác trên ISS và trong mô phỏng vi trọng lực bằng máy in 3D trên Trái đất, tất cả các vật thể đều hoạt động tốt như nhau. Trên thực tế, trong nghiên cứu đã được công bố, các nhà nghiên cứu đã ghi nhận không có tác động vi trọng lực nào đáng kể lên kết quả vật chất trong mô hình dựa trên vật lý của quá trình FFF.

Sứ mệnh in 3D đã thể hiện thành công bước đầu tiên hướng tới sản xuất trong không gian. Tuy nhiên, MIS tiếp tục thúc đẩy tầm nhìn của mình về sản xuất ngoài Trái đất bằng cách khai trương một cơ sở in thương mại khác. Lần này, Cơ sở Sản xuất Phụ gia (AMF) của công ty đã đạt quỹ đạo vào tháng 3 năm 2016 và đã sản xuất thêm hơn 100 bộ phận riêng lẻ cho nhiều khách hàng thương mại và tư nhân, sử dụng ba loại polyme khác nhau: nhựa ABS, nhựa sinh học polyetylen xanh và không gian- nhựa PEI / PC.

 

Một công cụ đa dụng cụ được in 3D, được thiết kế bởi các sinh viên trong chương trình Kỹ sư Tương lai, trôi nổi trước Cơ sở Sản xuất Phụ gia trên Trạm Vũ trụ Quốc tế.

Tận dụng in 3D để phát triển không gian là công dụng cuối cùng của công nghệ này. Trên Trái đất, AM cạnh tranh với các nền tảng sản xuất lâu đời hơn, lâu đời hơn. Trong không gian, in 3D có thể trở thành nền tảng sản xuất đầu tiên, đáng tin cậy nhất và hiệu quả về chi phí trong một khía cạnh thương mại hoàn toàn mới. In 3D trong không gian là một công nghệ cho phép rất quan trọng đối với việc khám phá của con người bên ngoài môi trường quỹ đạo thấp của Trái đất (LEO). Với một số sửa đổi đối với các hệ thống quan trọng, MIS đã có thể chứng minh rằng AM với các máy dựa trên đùn hoạt động trong vi trọng lực tương tự như trên mặt đất, cho phép chứng minh đầy đủ về khái niệm.

 

Tuy nhiên, dựa trên kinh nghiệm của MIS, việc sử dụng nguyên liệu polyme cho AM trên quỹ đạo không cho thấy sự khác biệt đáng kể trong sản phẩm cuối cùng so với sản xuất trên mặt đất. Mặc dù điều này là tốt để dự đoán những gì có thể được tạo ra trên quỹ đạo, nhưng các nhà khoa học cho rằng việc thiếu sự khác biệt về cấu trúc bằng cách sử dụng nguyên liệu polyme cũng có thể hạn chế tiềm năng về lợi thế hiệu suất của vật liệu đối với AM trong không gian.

Ngoài ra, đây không phải là trường hợp của kim loại. AM kim loại ở trạng thái vi trọng lực làm thay đổi cấu trúc tế vi và độ xốp của sản phẩm. Một hội đồng chuyên gia thảo luận về những ưu điểm và hạn chế của sản xuất trong không gian trong Hội thảo Sản xuất Phụ gia ảo trong Không gian năm 2020 , được tổ chức bởi Trung tâm Tiến bộ Khoa học trong Không gian (CASIS) - quản lý của Phòng thí nghiệm Quốc gia Hoa Kỳ ISS - đã xác định rằng, trong vi trọng lực, việc thiếu sự trộn theo hướng đối lưu trong bể tan chảy ảnh hưởng đến sự trộn nguyên tố / tính đồng nhất của thành phần trong quá trình lắng đọng, cũng như tốc độ làm mát. Do đó, các nghiên cứu nên xem xét các hệ thống dây kim loại (chẳng hạn như để lắng đọng năng lượng có hướng) hoặc các hệ thống sợi polyme, cùng với “môi trường hỗn hợp”Sản phẩm, chẳng hạn như chất dẻo được gia cố bằng sợi hoặc gốm được gia cố bằng dây kim loại.

Dự án NASA giải thích: “Nếu chúng ta muốn thiết lập sự hiện diện bền vững ngoài Trái đất, chúng ta cần phải đưa ra những vật liệu mới hoặc chúng ta cần điều chỉnh những vật liệu cũ được sử dụng và giảm bớt trong môi trường vi trọng lực, đặc biệt chú ý đến môi trường. Quản lý Jennifer Edmunson. “Vì vậy, nếu chúng ta muốn một thứ gì đó tồn tại trên bề mặt mặt trăng, nó phải được chuẩn bị để đối phó với nhiệt rắn, bức xạ, va chạm vi mô và bề mặt mặt trăng tích điện. Nếu các vật liệu mới có thể tồn tại trong môi trường mặt trăng, chúng rất có thể sẽ phát triển khá tốt trên Trái đất ”.

Các chuyên gia tin rằng các phương pháp mới để sản xuất trong không gian là cần thiết khi các hệ thống trên mặt đất không dễ dàng chuyển sang điều kiện vi trọng lực. Mở ra các lựa chọn mới cho nguyên liệu thô, bao gồm các vật liệu mềm như chất đàn hồi, bọt và cao su; mực có độ nhớt thấp; các lựa chọn polyme mới như phích nước có thời gian lưu hóa lâu hơn, hệ thống polyme được làm đầy, gia cố sợi liên tục và polyme bán tinh thể. Hơn nữa, cần phải nghiên cứu cách các vật liệu tại chỗ sẽ chuyển thành các nguồn cung cấp AM phù hợp, đặc biệt để sử dụng tài nguyên tại chỗ trong các hành tinh khác, nơi các phi hành đoàn có thể mong đợi tìm thấy các vật liệu dạng regolith có thể có tiềm năng trở thành Vật liệu in 3D.

 

Phòng thí nghiệm Hoa Kỳ trên Trạm Vũ trụ Quốc tế

Mặc dù Phòng thí nghiệm Quốc gia ISS là một môi trường lý tưởng để khám phá các khả năng của in 3D trong không trọng lực, nhưng vẫn còn nhiều câu hỏi chưa được giải đáp. Cho đến nay, các phương pháp tiếp cận hợp tác và sáng tạo giữa các cơ quan vũ trụ và các công ty tư nhân đã giúp AM phát triển mạnh trong không gian. Khi các sáng kiến ​​về nơi sinh sống của con người được mở rộng, chủ yếu nhằm mục đích khám phá nhiều bề mặt Mặt Trăng hơn bao giờ hết, phòng thí nghiệm quỹ đạo độc đáo này sẽ rất cần thiết để hiểu cách con người có thể sống bền vững trên quỹ đạo trong thời gian dài.

 

Nguồn: 3dprint

Data Design Việt Nam

http://datadesign.vn