Jak działa druk 3D w warunkach mikrograwitacji

Badania nad tym, jak druk 3D działa w środowisku nieważkości, mają na celu wsparcie długotrwałych załogowych misji kosmicznych i potencjalnego zamieszkiwania przez ludzi stacji kosmicznych lub obcych światów.

Długotrwałe misje w przestrzeni kosmicznej, zdaniem badaczy, wymagają produkcji kluczowych materiałów i sprzętu na miejscu, zamiast transportu tych elementów z Ziemi. Naukowcy z West Virginia University uważają, że druk 3D jest sposobem na osiągnięcie tego celu.

Ostatnie eksperymenty badaczy koncentrowały się na tym, jak środowisko mikrograwitacji w stanie nieważkości wpływa na drukowanie 3D przy użyciu pianki tytanowej, materiału o potencjalnych zastosowaniach, od blokowania promieniowania UV po oczyszczanie wody. Wyniki badania zostały opublikowane w ACS Applied Materials and Interfaces.

„Statek kosmiczny nie może przewozić nieskończonych zasobów, więc załoga musi utrzymywać i poddawać recyklingowi to, co jest na pokładzie, a druk 3D to umożliwia. Można drukować tylko to, czego się potrzebuje, zmniejszając ilość odpadów. Nasze badanie dotyczyło tego, czy wydrukowana w 3D pianka z dwutlenku tytanu może chronić przed promieniowaniem ultrafioletowym w przestrzeni kosmicznej i oczyszczać wodę” – mówi Jacob Cordonier z West Virginia University.

„Badania pozwalają nam również zobaczyć rolę grawitacji w tym, jak pianka wychodzi z dyszy drukarki 3D i rozprzestrzenia się na podłożu. Zaobserwowaliśmy różnice w kształcie filamentu (używane w druku 3D to termoplasty, czyli tworzywa sztuczne – polimery, które po podgrzaniu topią się, a nie palą, mogą być kształtowane i formowane, a po schłodzeniu zastygają) podczas drukowania w warunkach mikrograwitacji w porównaniu do grawitacji ziemskiej. Wprowadzając dodatkowe zmienne w procesie drukowania, takie jak prędkość i ciśnienie wytłaczania, jesteśmy w stanie nakreślić wyraźniejszy obraz tego, jak wszystkie te parametry oddziałują na siebie, aby dostroić kształt filamentu” – dodaje.

Badania nad tytanową pianką prowadzone były od 2016 roku. Obecnie odbywają się w laboratoriach West Virginia University, ale pierwotnie wymagały lotu Boeingiem 727.  Naukowcy drukowali linie pianki na szklanych szkiełkach podczas 20-sekundowych okresów nieważkości, gdy odrzutowiec znajdował się na szczycie swojego parabolicznego toru lotu.

„Wyniesienie nawet kilograma materiału w przestrzeń kosmiczną jest kosztowny, a jego przechowywanie jest ograniczone, więc przyglądamy się tak zwanemu wykorzystaniu zasobów zastanych. Wiemy, że Księżyc zawiera złoża minerałów bardzo podobnych do dwutlenku tytanu, używanego do produkcji naszej pianki, więc pomysł polega na tym, że nie trzeba transportować sprzętu stąd w kosmos, ponieważ możemy wydobywać zasoby na Księżycu i drukować tam sprzęt niezbędny do misji” – wyjaśnia Konstantinos Sierros z West Virginia University.

Zdaniem badaczy, niezbędny sprzęt obejmuje osłony przed światłem ultrafioletowym, które stanowi zagrożenie dla astronautów, elektroniki i innych zasobów kosmicznych.

„Na Ziemi nasza atmosfera blokuje znaczną część promieniowania UV – choć nie całe, dlatego ulegamy poparzeniom słonecznym. W przestrzeni kosmicznej lub na Księżycu nie ma nic, co mogłoby je złagodzić, poza skafandrem kosmicznym lub jakąkolwiek powłoką na statku kosmicznym” – twierdzi Cordonier.

„Aby zmierzyć skuteczność pianki tytanowej w blokowaniu fal UV, świeciliśmy światłem w zakresie od długości fal ultrafioletowych do widma światła widzialnego. Zmierzyliśmy, ile światła przedostaje się przez wydrukowaną przez nas folię z pianki tytanowej, ile odbija się z powrotem i ile jest pochłaniane przez próbkę. Okazało się, że folia blokuje prawie całe promieniowanie UV padające na próbkę i przedostaje się przez nią bardzo niewiele światła widzialnego. Nawet przy grubości zaledwie 200 mikronów nasz materiał skutecznie blokuje promieniowanie UV” – dodaje.

Naukowcy twierdzą, że pianka wydrukowana w 3D, wykazała również właściwości fotokatalityczne, co oznacza, że może wykorzystywać światło do przeprowadzania reakcji chemicznych, które mogą oczyszczać powietrze lub wodę.

Emil Gołoś