Ersatzteile in der Schwerelosigkeit drucken

Ein Metall-3D-Drucker wird an Bord sein, wenn die nächste Crew zur Internationalen Raumstation ISS aufbricht. Langfristig soll der Drucker zur Herstellung von Ersatzteilen im Weltraum eingesetzt werden, er wird aber auch wichtige neue Erkenntnisse liefern, die zu einer besseren Nutzung der Ressourcen auf der Erde führen können.

Von einer Raumstation, die Hunderte von Kilometern über der Erdoberfläche liegt, ist es – wie der DTU-Professor und Experte für Weltrauminstrumente und -technologie John Leif Jørgensen betont – ein langer Weg bis zur Werkstatt, wenn Sie plötzlich ein Ersatzteil benötigen, das Sie nicht auf Lager haben . Ein Metall-3D-Drucker könnte sich als Lösung für genau diese Herausforderung erweisen.

Genau aus diesem Grund werden die Leute der Huginn-Mission unter der Leitung des dänischen Astronauten Andreas Mogensen einen brandneuen Drucker auf der ISS testen. Der Drucker wurde zu diesem Zweck vom europäischen Flugzeughersteller Airbus für die Europäische Weltraumorganisation ESA entwickelt. „Ein solcher Drucker kann genau die Bits produzieren, die Sie dort oben benötigen“, sagt John Leif Jørgensen.

Der Drucker ist mit einer Düse ausgestattet, aus der ein Edelstahldraht austritt. Während sich der Drucker bewegt, schmilzt ein Laserstrahl den Draht, erzeugt das ausgewählte Muster und baut das Objekt auf, für das der Drucker eingestellt wurde.

„Technisch gesehen ist es nur ein kleiner Schweißdraht, den man mit einem Laserstrahl einschmilzt. Aber es wird die Herstellung komplizierter Objekte fernab einer herkömmlichen Produktionshalle ermöglichen“, sagt der Professor.

Der Besuch auf der ISS wird Airbus wichtige Einblicke darüber geben, welche Änderungen möglicherweise erforderlich sind, um den Drucker für die Herstellung von Ersatzteilen im Weltraum in größerem Maßstab vorzubereiten.

Im Rahmen des Projekts werden die Astronauten Kopien einer sorgfältig entworfenen 5 cm hohen Struktur drucken. Forscher der DTU haben ähnliche Modelle auf der Erde erstellt. Wenn die Huginn-Crew zurückkehrt, werden die Forscher genaue Messungen der beiden gedruckten Modelle vornehmen, um festzustellen, welche Unterschiede zwischen ihnen bestehen könnten.

„Alles, was auf der Erde hergestellt wird, wird von der Schwerkraft beeinflusst. Das bedeutet, dass die physikalischen Effekte entlang und quer zur Schwerkraft unterschiedlich sein können. Ein solcher Effekt besteht darin, dass Objekte bei der Verarbeitung oft unterschiedlich erhitzt und abgekühlt werden, wodurch innere Spannungen entstehen, die wiederum dazu führen können, dass sich Materialien verziehen. „Die Abwesenheit der Schwerkraft auf der ISS wird solche eingebauten Spannungen in den gedruckten Zahlen minimieren“, erklärt John Leif Jørgensen.

Die Kartierung der Unterschiede zwischen auf der Erde und im Weltraum gedruckten Objekten wird Wissenschaftlern dabei helfen, bessere Antworten auf grundlegende Fragen zum Verhalten von Metallen unter verschiedenen thermischen und mechanischen Bedingungen zu finden.

Dieser tiefere Einblick in die Materialphysik kann beispielsweise genutzt werden, um den Sicherheitsspielraum zu verringern, den Hersteller von Metallgegenständen hier auf der Erde nutzen – und so den Ressourcenverbrauch zu senken, erklärt John Leif Jørgensen: „Zum Beispiel Teile für Flugzeuge.“ sind wesentlich stärker gebaut als nötig, weil wir nicht genau wissen, wie sich die Materialien verhalten. Das gilt natürlich auch für Autos, Fahrräder usw. Perspektivisch könnte man durch den Einsatz vieler der von uns verwendeten Komponenten und Materialien die Wirksamkeit verbessern Wenn man die Sicherheitsmarge verantwortungsvoll reduzieren und näher an die Grenze herangehen kann, kann man sie heute in der Gesellschaft nutzen.“

Zwei weitere DTU-Projekte werden an der Huginn-Mission beteiligt sein, deren Flug im August geplant ist.

Eines der Projekte wird die virtuelle Realität (VR) als Werkzeug zur Stimulierung des geistigen Wohlbefindens während einer Weltraummission testen. Ein von der DTU geleitetes Konsortium wird ein VR-System liefern, das Astronauten an friedliche Orte transportieren kann – beispielsweise an einen plätschernden Bach in einem Wald – und so das geistige Wohlbefinden der Astronauten auf langen Missionen verbessern kann.

Es ist eine Herausforderung, Geräte zu entwickeln, die im Weltraum funktionieren. Die verfügbaren VR-Systeme nutzen die Schwerkraft, um sicherzustellen, dass das dem Benutzer präsentierte Universum korrekt ausgerichtet ist und ohne „Flimmern“ der Bilder angezeigt wird, wenn beispielsweise die Astronauten den Kopf drehen.

Folglich wird es viel Arbeit erfordern, ein System zu entwickeln, das in der Schwerelosigkeit genauso gut funktioniert und so verhindert, dass die Astronauten reisekrank werden. Wenn es jedoch wie beabsichtigt funktioniert, wird es die Türen für eine breitere Anwendung von VR im Weltraum für Übung, Schulung und Unterhaltung öffnen.

Im zweiten Projekt wird Andreas Mogensen weiterhin die starken Blitze einfangen, die von Gewitterwolken ausgehen und bis zu einer Höhe von 50 Kilometern reichen – und die er bei seiner ersten kurzen Mission im Jahr 2015 auf Video festgehalten hat.

Für die neue Mission wird DTU Space den dänischen Astronauten mit einem viel besseren Kamerasystem ausstatten, das bis zu 100.000 Bilder pro Sekunde mit einem beispiellosen Kontrast der erstaunlichen elektrischen Aktivität aufnehmen kann und so neue Einblicke und Perspektiven auf dieses Phänomen bietet.

Die vielen neuen Bilder – zusammen mit Daten des dänischen Weltraumklimaobservatoriums ASIM, bei dem DTU Space für die wissenschaftliche Leitung verantwortlich ist – werden den DTU-Forschern mehr Wissen darüber liefern, wie sich Blitze auf die Konzentration von Treibhausgasen in der Atmosphäre und damit auf das Erdklima auswirken.

Dieses Wissen wird es Forschern beispielsweise ermöglichen, unsere Klimamodelle zu verbessern.

Zur Verfügung gestellt von der Technischen Universität Dänemark