Engineering Berkeley
Raziskovalci z Berkeleyja so v vesolje poslali 3D tiskalnik. SpaceCAL na misiji Virgin Galactic 07 preizkuša meje aditivne proizvodnje.
Vesoljska posadka 140 milijonov kilometrov od Zemlje odkrije, da ima njihovo vesoljsko plovilo razpokan tesnilni obroč. Toda kaj če bi lahko namesto na vse manjšo zalogo rezervnih delov preprosto izdelali katerikoli del, ki ga potrebujejo na zahtevo?
Skupina raziskovalcev z Berkeleyja pod vodstvom doktorskega študenta Taylorja Waddella je morda naredila velik korak k uresničitvi te možnosti. 8. junija so v okviru misije Virgin Galactic 07 v vesolje prvič poslali svojo tehnologijo 3D tiskanja. Njihov tiskalnik naslednje generacije v mikrogravitaciji – imenovan SpaceCAL – je na krovu vesoljskega letala VSS Unity preživel 140 sekund v suborbitalnem prostoru. V tem kratkem času je samostojno natisnil in naknadno obdelal skupno štiri testne dele, vključno z vesoljskimi raketoplani in figuricami iz tekoče plastike, imenovane PEGDA.
„SpaceCAL se je v preteklih testih na paraboličnih poletih dobro odrezal v pogojih mikrogravitacije, vendar je bilo treba še nekaj dokazati,“ je dejal Waddell.„ Ta zadnja misija, financirana iz Nasinega programa Flight Opportunities [1] ter ob podpori Berkeley Engineering in vesoljskega centra Berkeley, nam je omogočila, da smo potrdili pripravljenost te tehnologije 3D tiskanja za potovanja v vesolje.“
Dodal je: „Upamo, da ga bomo nekoč lahko uporabljali za izdelavo vsega, od delov in orodij za vesoljska plovila do novih kontaktnih leč in zobnih kron za člane posadke.“
3D tiskanje, znano tudi kot aditivna proizvodnja, se je od svojega prvega patentiranja v 80. letih prejšnjega stoletja precej razvilo. Hayden Taylor, izredni profesor strojništva, je leta 2017 vodil skupino raziskovalcev univerze Berkeley and Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), ki je izumila tehnologijo CAL (Computed Axial Lithography). Ta nova vrsta aditivne proizvodnje, ki za oblikovanje trdnih predmetov iz viskozne tekočine uporablja svetlobo, je razširila nabor geometrij, ki jih je mogoče natisniti, in znatno povečala hitrost tiskanja 3D-delov. Poleg tega je dobro delovala tudi v pogojih mikrogravitacije, kar je odprlo vrata aplikacijam, povezanim z raziskovanjem vesolja.
Tehnologija CAL je tudi tisto, kar je Waddella pripeljalo na Berkeley, kjer je doktoriral iz strojništva. Kot dodiplomski študent na Univerzi Wisconsin v Madisonu in inženir na poti pri Nasi je Waddella očaralo 3D tiskanje – od njegove navidezno čarobne sposobnosti, da idejo pretvori v fizično obliko, do njegove cenovne dostopnosti in dosegljivosti.
Ko je izvedel za CAL, se je obrnil na Taylorja in se kmalu znašel na Berkeleyju. Tam je preživel nešteto ur v Taylorjevem laboratoriju, kjer je skupaj z drugimi študenti raziskovalci iskal nove načine, kako to tehnologijo izkoristiti za večje dobro.
Doseganje novih višin
CAL se razlikuje od drugih tehnologij 3D tiskanja zaradi svoje neverjetne hitrosti – dele ustvari že v 20 sekundah – in učinkovitosti. Ker omogoča astronavtom hitro tiskanje delov v nujnih primerih in na zahtevo, CAL potencialno odpravlja potrebo po tem, da bi na dolgotrajne vesoljske misije vzeli na tisoče rezervnih delov.
„Z uporabo proizvodnih tehnologij lahko zmanjšate maso, pospešite izvajanje misij in zmanjšate tveganje,“ je dejal Waddell.
Poleg tega edinstvena zmožnost CAL-a je to, da dobro tiska v pogojih mikrogravitacije in s tem inženirjem omogoča raziskovanje meja 3D-tiskanja v vesolju.
„S programom CAL nam je uspelo dokazati – najprej na misijah z ničelno gravitacijo in zdaj na tem poletu – da lahko v mikrogravitaciji natisnemo dele, ki jih na Zemlji ni mogoče natisniti,“ je dejal Waddell.
Slika: Figurica raketoplana, ki jo je natisnil SpaceCAL, lebdi v mikrogravitaciji, v celoti naknadno obdelana. (Slika: Taylor Waddell)
Do zdaj je podjetje CAL dokazalo, da lahko uspešno tiska z več kot 60 različnimi materiali na Zemlji, kot so silikoni, stekleni kompoziti in biomateriali. Waddell meni, da bi ta vsestranskost lahko prišla prav tako v kabini kot pri posadki.
„Če se vaše vesoljsko plovilo pokvari, lahko natisnete O-obročke, mehanske nosilce ali celo orodja,“ je dejal. „Toda CAL lahko pokrpa tudi posadko. Natisnemo lahko zobne nadomestke, kožne vsadke ali leče in stvari, prilagojene v nujni medicini za astronavte, kar je zelo pomembno tudi pri teh misijah.“
„Na vesoljski postaji bodo v bistvu izvajali biotiskanje,“ je dejal Waddell. „Dolgoročni cilj pa je, da bi v vesolju natisnili organe s programom CAL in jih nato prenesli nazaj na Zemljo.“
Waddell in njegovi sodelavci upajo, da bodo z Naso začeli sodelovati pri razvoju in potrditvi posameznega predmeta, ki bi lahko podpiral zdravje in dobro počutje posadke, na primer zobne krone za astronavta ali orodja za zapiranje kirurških ran.
„Ti poskusi so resnično osredotočeni na spodbujanje tehnologije za izboljšanje položaja vseh,“ je dejal Waddell. „Čeprav so namenjeni za vesolje, se vedno najde veliko načinov, kako lahko koristijo ljudem tukaj na Zemlji.“
To je tudi vrsta tehnologije, ki jo vesoljski center Berkeley [2] namerava razviti v svojem novem 36 hektarjev velikem kampusu, ki je trenutno v razvoju. Vesoljski center Berkeley bo dom za inovacije in podjetništvo, kjer bodo združene tehnologije, ki jih bosta razvili NASA in univerza Berkeley ter jih bo tržila zasebna industrija. „Predstavljajte si kraj, kjer lahko zasebna podjetja prevzamejo izume, kakršne je ustvaril Taylor Waddell, in omogočijo, da se ta pomembna odkritja iz laboratorija preselijo v javnost,“ je dejal Darek DeFreece, častni regent Univerze Kalifornija in vodja prizadevanj univerze Berkeley za razvoj vesoljskega centra Berkeley. „Veselili smo se, ko smo opazovali zgodovinski polet družbe Virgin Galactic 07.“
Vesoljska misija 8. junija je bila v marsičem vrhunec dolgoletnih raziskav vseh študentov v laboratoriju Haydena Taylorja za proizvodnjo na nano ravni. Skupaj so premikali meje razmeroma nove tehnologije in ugotavljali, kaj vse je mogoče.
„Ta projekt temelji na ekipi mnogih, mnogih ljudi,“ je dejal Waddell, vključno s študenti raziskovalci Dillonom Balkom, Skyler Chanom, Seanom Chuom, Brianom Chungom, Ameero Elgonemy, Jacobom Gottesmanom, Anthonyjem Moodyjem, Jakom Nicklom, Dylanom Potterjem, Austinom Portinausom, Anusrijem Sreenathom in Audrey Young.
Ta projekt je bil mogoč s pomočjo 1,4 milijona dolarjev nepovratnih sredstev in inženirske podpore, ki jo je zagotovila NASA. Poleg tega je imelo podjetje Virgin Galactic ključno vlogo pri prenosu tega projekta na naslednjo raven.
„Ekipa podjetja Virgin Galactic nam je pomagala na vsakem koraku, zlasti med tednom priprav na izstrelitev rakete,“ je dejal Waddell. „Veliko je bilo odličnih inženirjev in strastnih ljudi, ki so želeli poskrbeti za naš uspeh.“
1: https://www.nasa.gov/stmd-flight-opportunities/
2: https://spacecenter.berkeley.edu/home
