מאז המאה ה-20, המין האנושי מרותק לחקר החלל ולהבנת מה נמצא מעבר לכדור הארץ. ארגונים גדולים כמו נאס"א ו-ESA היו בחזית חקר החלל, ושחקן חשוב נוסף בכיבוש זה הוא הדפסה תלת-ממדית. עם היכולת לייצר במהירות חלקים מורכבים בעלות נמוכה, טכנולוגיית עיצוב זו הופכת פופולרית יותר ויותר בחברות. היא מאפשרת יצירת יישומים רבים, כגון לוויינים, חליפות חלל ורכיבי רקטות. למעשה, על פי SmarTech, שווי השוק של ייצור תוסף בתעשיית החלל הפרטית צפוי להגיע ל-2.1 מיליארד אירו עד 2026. זה מעלה את השאלה: כיצד הדפסה תלת-ממדית יכולה לעזור לבני אדם להצטיין בחלל?
בתחילה, הדפסה תלת-ממדית שימשה בעיקר לייצור אבות טיפוס מהירים בתעשיות הרפואה, הרכב והחלל. עם זאת, ככל שהטכנולוגיה הפכה נפוצה יותר, היא נמצאת בשימוש גובר עבור רכיבים למטרה סופית. טכנולוגיית ייצור תוספי מתכות, ובמיוחד L-PBF, אפשרה ייצור של מגוון מתכות בעלות מאפיינים ועמידות המתאימים לתנאי חלל קיצוניים. טכנולוגיות הדפסה תלת-ממדיות אחרות, כגון DED, Binder jetting ותהליך שיחול, משמשות גם הן בייצור רכיבי חלל. בשנים האחרונות צצו מודלים עסקיים חדשים, כאשר חברות כמו Made in Space ו-Relativity Space משתמשות בטכנולוגיית הדפסה תלת-ממדית לתכנון רכיבי חלל.
חלל היחסות מפתחת מדפסת תלת מימד לתעשיית התעופה והחלל
טכנולוגיית הדפסה תלת-ממדית בתחום התעופה והחלל
כעת, לאחר שהצגנו אותן, בואו נבחן מקרוב את טכנולוגיות ההדפסה התלת-ממדיות השונות המשמשות בתעשיית התעופה והחלל. ראשית, יש לציין כי ייצור תוספי מתכת, ובמיוחד L-PBF, הוא הנפוץ ביותר בתחום זה. תהליך זה כרוך בשימוש באנרגיית לייזר כדי להתיך אבקת מתכת שכבה אחר שכבה. הוא מתאים במיוחד לייצור חלקים קטנים, מורכבים, מדויקים ומותאמים אישית. יצרני תעופה וחלל יכולים גם הם להפיק תועלת מ-DED, הכוללת הפקדת חוט מתכת או אבקה ומשמשת בעיקר לתיקון, ציפוי או ייצור של חלקים מתכתיים או קרמיים בהתאמה אישית.
לעומת זאת, הזרקת חומרים בודדים (binder jetting), למרות היתרון שלה מבחינת מהירות ייצור ועלות נמוכה, אינה מתאימה לייצור חלקים מכניים בעלי ביצועים גבוהים משום שהיא דורשת שלבי חיזוק לאחר עיבוד המגדילים את זמן הייצור של המוצר הסופי. טכנולוגיית שיחול יעילה גם בסביבת החלל. יש לציין שלא כל הפולימרים מתאימים לשימוש בחלל, אך פלסטיק בעל ביצועים גבוהים כמו PEEK יכול להחליף חלקים מתכתיים מסוימים בשל חוזקו. עם זאת, תהליך הדפסה תלת-ממדית זה עדיין אינו נפוץ במיוחד, אך הוא יכול להפוך לנכס יקר ערך לחקר החלל באמצעות שימוש בחומרים חדשים.
היתוך מצע אבקה בלייזר (L-PBF) היא טכנולוגיה נפוצה בהדפסה תלת-ממדית עבור תעופה וחלל.
פוטנציאל של חומרי חלל
תעשיית התעופה והחלל בוחנת חומרים חדשים באמצעות הדפסה תלת-ממדית, ומציעה חלופות חדשניות שעשויות לשבש את השוק. בעוד מתכות כמו טיטניום, אלומיניום וסגסוגות ניקל-כרום תמיד היו המוקד העיקרי, חומר חדש עשוי בקרוב לגנוב את אור הזרקורים: רגולית ירחי. רגולית ירחי היא שכבת אבק המכסה את הירח, וסוכנות החלל האירופית (ESA) הוכיחה את היתרונות של שילובה עם הדפסה תלת-ממדית. אדבניט מקאיה, מהנדס ייצור בכיר ב-ESA, מתאר רגולית ירחי כדומה לבטון, המורכב בעיקר מסיליקון ויסודות כימיים אחרים כמו ברזל, מגנזיום, אלומיניום וחמצן. ESA שיתפה פעולה עם Lithoz כדי לייצר חלקים פונקציונליים קטנים כמו ברגים וגלגלי שיניים באמצעות רגולית ירחי מדומה בעל תכונות דומות לאבק ירח אמיתי.
רוב התהליכים המעורבים בייצור רגוליט ירחי משתמשים בחום, מה שהופך אותו לתואם לטכנולוגיות כמו SLS ופתרונות הדפסה עם הדבקה באבקה. סוכנות החלל האירופית משתמשת גם בטכנולוגיית D-Shape במטרה לייצר חלקים מוצקים על ידי ערבוב מגנזיום כלוריד עם חומרים ושילובו עם תחמוצת מגנזיום המצויה בדגימה המדומה. אחד היתרונות המשמעותיים של חומר ירח זה הוא רזולוציית ההדפסה העדינה יותר שלו, המאפשרת לו לייצר חלקים בדיוק הגבוה ביותר. תכונה זו עשויה להפוך לנכס העיקרי בהרחבת מגוון היישומים וייצור רכיבים עבור בסיסי ירח עתידיים.
רגולית ירחי נמצאת בכל מקום
ישנו גם רגוליט מאדים, המתייחס לחומר תת-קרקעי שנמצא על מאדים. נכון לעכשיו, סוכנויות חלל בינלאומיות אינן יכולות לשחזר חומר זה, אך הדבר לא מנע ממדענים לחקור את הפוטנציאל שלו בפרויקטים מסוימים בתחום התעופה וחלל. חוקרים משתמשים בדגימות מדומות של חומר זה ומשלבים אותו עם סגסוגת טיטניום כדי לייצר כלים או רכיבי רקטות. תוצאות ראשוניות מצביעות על כך שחומר זה יספק חוזק גבוה יותר ויגן על ציוד מפני חלודה ונזקי קרינה. למרות שלשני חומרים אלה תכונות דומות, רגוליט ירחי הוא עדיין החומר הנבדק ביותר. יתרון נוסף הוא שניתן לייצר חומרים אלה באתר ללא צורך בהובלת חומרי גלם מכדור הארץ. בנוסף, רגוליט הוא מקור חומרים בלתי נדלה, המסייע במניעת מחסור.
יישומי טכנולוגיית הדפסה תלת-ממדית בתעשיית התעופה והחלל
היישומים של טכנולוגיית הדפסה תלת-ממדית בתעשיית התעופה והחלל יכולים להשתנות בהתאם לתהליך הספציפי בו נעשה שימוש. לדוגמה, ניתן להשתמש בהיתוך מצע אבקה בלייזר (L-PBF) לייצור חלקים מורכבים לטווח קצר, כגון מערכות כלים או חלקי חילוף לחלל. Launcher, סטארט-אפ שבסיסו בקליפורניה, השתמש בטכנולוגיית ההדפסה התלת-ממדית של Velo3D, העשויה ממתכת ספיר, כדי לשפר את מנוע הרקטה הנוזלית E-2 שלו. תהליך היצרן שימש ליצירת טורבינת האינדוקציה, אשר ממלאת תפקיד מכריע בהאצה ובהנעת LOX (חמצן נוזלי) לתא הבעירה. הטורבינה והחיישן הודפסו כל אחד באמצעות טכנולוגיית הדפסה תלת-ממדית ולאחר מכן הורכבו. רכיב חדשני זה מספק לרקטה זרימת נוזלים גדולה יותר ודחף גדול יותר, מה שהופך אותה לחלק חיוני במנוע.
Velo3D תרמה לשימוש בטכנולוגיית PBF בייצור מנוע הרקטה הנוזלי E-2.
לייצור תוספי יישומים רחבים, כולל ייצור מבנים קטנים וגדולים. לדוגמה, טכנולוגיות הדפסה תלת-ממדיות כמו פתרון Stargate של Relativity Space יכולות לשמש לייצור חלקים גדולים כמו מיכלי דלק של טילים ולהבי מדחפים. Relativity Space הוכיחה זאת באמצעות הייצור המוצלח של Terran 1, טיל שהודפס כמעט כולו בתלת-ממד, הכולל מיכל דלק באורך כמה מטרים. שיגורו הראשון ב-23 במרץ 2023 הדגים את היעילות והאמינות של תהליכי ייצור תוספי.
טכנולוגיית הדפסה תלת-ממדית מבוססת שיחול מאפשרת גם ייצור חלקים באמצעות חומרים בעלי ביצועים גבוהים כמו PEEK. רכיבים העשויים תרמופלסטיים אלה כבר נבדקו בחלל והוצבו על גבי רובר ראשיד כחלק ממשימת הירח באיחוד האמירויות הערביות. מטרת הבדיקה הייתה להעריך את עמידותו של PEEK לתנאי ירח קיצוניים. אם יצליח, PEEK עשוי להחליף חלקי מתכת במצבים בהם חלקי מתכת נשברים או חומרים נדירים. בנוסף, תכונות הקלות של PEEK עשויות להיות בעלות ערך בחקר החלל.
טכנולוגיית הדפסה תלת-ממדית יכולה לשמש לייצור מגוון חלקים עבור תעשיית התעופה והחלל.
יתרונות ההדפסה התלת-ממדית בתעשיית התעופה והחלל
יתרונות ההדפסה התלת-ממדית בתעשיית התעופה והחלל כוללים שיפור במראה הסופי של החלקים בהשוואה לטכניקות בנייה מסורתיות. יוהנס הומה, מנכ"ל יצרנית מדפסות התלת-ממד האוסטרית Lithoz, הצהיר כי "טכנולוגיה זו הופכת את החלקים לקלים יותר". בשל חופש התכנון, מוצרים מודפסים בתלת-ממד יעילים יותר ודורשים פחות משאבים. לכך יש השפעה חיובית על ההשפעה הסביבתית של ייצור החלקים. Relativity Space הוכיחה כי ייצור תוסף יכול להפחית משמעותית את מספר הרכיבים הנדרשים לייצור חלליות. עבור טיל Terran 1, חסכו 100 חלקים. בנוסף, לטכנולוגיה זו יתרונות משמעותיים במהירות הייצור, כאשר הטיל הושלם בפחות מ-60 יום. לעומת זאת, ייצור טיל בשיטות מסורתיות יכול להימשך מספר שנים.
בכל הנוגע לניהול משאבים, הדפסה תלת-ממדית יכולה לחסוך בחומרים, ובמקרים מסוימים אף לאפשר מיחזור פסולת. לבסוף, ייצור תוספי עשוי להפוך לנכס יקר ערך להפחתת משקל ההמראה של רקטות. המטרה היא למקסם את השימוש בחומרים מקומיים, כגון רגוליט, ולמזער את הובלת החומרים בתוך חלליות. זה מאפשר לשאת רק מדפסת תלת-ממד, שיכולה ליצור הכל במקום לאחר המסע.
חברת Made in Space כבר שלחה אחת ממדפסות התלת-ממד שלה לחלל לבדיקה.
מגבלות של הדפסה תלת-ממדית בחלל
למרות שלהדפסה תלת-ממדית יש יתרונות רבים, הטכנולוגיה עדיין חדשה יחסית ויש לה מגבלות. אדבניט מקאיה הצהיר, "אחת הבעיות העיקריות בייצור תוסף בתעשיית התעופה והחלל היא בקרת תהליכים ותיקוף". יצרנים יכולים להיכנס למעבדה ולבדוק את חוזק, אמינות ומבנה מיקרו של כל חלק לפני התיקוף, תהליך המכונה בדיקות לא הורסות (NDT). עם זאת, תהליך זה יכול להיות גם גוזל זמן וגם יקר, ולכן המטרה הסופית היא להפחית את הצורך בבדיקות אלו. נאס"א הקימה לאחרונה מרכז לטיפול בנושא זה, המתמקד בהסמכה מהירה של רכיבי מתכת המיוצרים בייצור תוסף. המרכז שואף להשתמש בתאומים דיגיטליים כדי לשפר מודלים ממוחשבים של מוצרים, מה שיעזור למהנדסים להבין טוב יותר את הביצועים והמגבלות של חלקים, כולל כמה לחץ הם יכולים לעמוד בו לפני שבר. בכך, המרכז מקווה לסייע בקידום יישום הדפסת תלת-ממד בתעשיית התעופה והחלל, ולהפוך אותה ליעילה יותר בתחרות עם טכניקות ייצור מסורתיות.
רכיבים אלה עברו בדיקות אמינות וחוזק מקיפות.
מצד שני, תהליך האימות שונה אם הייצור מתבצע בחלל. אדבניט מקאיה מ-ESA מסביר, "יש טכניקה הכוללת ניתוח החלקים במהלך ההדפסה". שיטה זו מסייעת לקבוע אילו מוצרים מודפסים מתאימים ואילו לא. בנוסף, קיימת מערכת תיקון עצמי למדפסות תלת-ממד המיועדת לחלל ונבדקת על מכונות מתכת. מערכת זו יכולה לזהות שגיאות פוטנציאליות בתהליך הייצור ולשנות אוטומטית את הפרמטרים שלה כדי לתקן כל פגם בחלק. שתי מערכות אלו צפויות לשפר את אמינותם של מוצרים מודפסים בחלל.
כדי לאמת פתרונות הדפסה תלת-ממדית, נאס"א ו-ESA קבעו סטנדרטים. סטנדרטים אלה כוללים סדרה של בדיקות לקביעת אמינות החלקים. הם מתחשבים בטכנולוגיית היתוך אבקה ומעדכנים אותם עבור תהליכים אחרים. עם זאת, שחקנים גדולים רבים בתעשיית החומרים, כגון Arkema, BASF, Dupont ו-Sabic, מספקים גם הם עקיבות זו.
חיים בחלל?
עם התקדמות טכנולוגיית ההדפסה התלת-ממדית, ראינו פרויקטים מוצלחים רבים על פני כדור הארץ המשתמשים בטכנולוגיה זו לבניית בתים. זה גורם לנו לתהות האם תהליך זה עשוי לשמש בעתיד הקרוב או הרחוק לבניית מבנים ראויים למגורים בחלל. בעוד שחיים בחלל אינם מציאותיים כיום, בניית בתים, במיוחד על הירח, יכולה להיות מועילה לאסטרונאוטים בביצוע משימות חלל. מטרת סוכנות החלל האירופית (ESA) היא לבנות כיפות על הירח באמצעות רגוליט ירחי, שניתן להשתמש בו לבניית קירות או לבנים כדי להגן על אסטרונאוטים מפני קרינה. לדברי אדבניט מקאיה מ-ESA, רגוליט ירחי מורכב מכ-60% מתכת ו-40% חמצן והוא חומר חיוני להישרדות האסטרונאוטים מכיוון שהוא יכול לספק מקור אינסופי של חמצן אם מופק מחומר זה.
נאס"א העניקה מענק של 57.2 מיליון דולר ל-ICON לפיתוח מערכת הדפסה תלת-ממדית לבניית מבנים על פני הירח, והיא גם משתפת פעולה עם החברה כדי ליצור בית גידול מסוג "דיונה אלפא" על מאדים. המטרה היא לבחון את תנאי החיים על מאדים על ידי מתנדבים החיים בבית גידול למשך שנה, תוך הדמיה של התנאים על כוכב הלכת האדום. מאמצים אלה מייצגים צעדים קריטיים לקראת בנייה ישירה של מבנים מודפסים בתלת-ממד על הירח ועל מאדים, מה שעשוי בסופו של דבר לסלול את הדרך להתיישבות אנושית בחלל.
בעתיד הרחוק, בתים אלה יוכלו לאפשר לחיים לשרוד בחלל.
זמן פרסום: 14 ביוני 2023
