Quanta stampa 3D richiederà il sogno di Elon?

Il sogno di Elon Musk di rendere l’umanità una specie multiplanetaria e colonizzare Marte entro pochi decenni va di pari passo con i sogni della maggior parte delle persone coinvolte nell’AM: vedere questa tecnologia cambiare la produzione. Le due cose sono allineate e sinergiche. L’industria spaziale commerciale relativamente giovane fa affidamento in modo significativo sulle tecnologie AM e l’industrializzazione AM è stata guidata dalle esigenze dell’industria aerospaziale.

Ma colonizzare Marte è un gioco completamente nuovo, che richiederà tecnologie AM – molti diversi tipi di tecnologie AM – per fare davvero un passo avanti e fornire risultati. La maggior parte delle applicazioni AM che saranno necessarie per un viaggio interplanetario e gli sforzi di colonizzazione sono già state immaginate e descritte. Ora, mentre Musk ha quantificato la quantità di equipaggiamento necessaria per avviare una colonia marziana autosufficiente in 1 milione di tonnellate di essa, è tempo di mettere tutto insieme e quantificare esattamente quanto AM sarà necessario per andare e rimanere su Marte.

Fare in modo che i razzi lascino la Terra

Musk prevede di costruire 100 astronavi, che avranno bisogno di razzi super pesanti per lanciarle nello spazio. Ogni veicolo combinato sarà in grado di lanciarsi dalla superficie terrestre ogni sei-otto ore. Super Heavy, che tornerà sulla Terra dopo aver dato alla Starship la spinta iniziale, sarà in grado di farlo all’incirca ogni ora, in missioni che consegneranno fino a 150 tonnellate di carico utile in orbita, ha detto Musk. Il nuovissimo Super Heavy è dotato di 33 motori Raptor 2 e ogni astronave ne avrà 6.

Il Raptor 2 è davvero una meraviglia dell’ingegneria: è più potente del primo Raptor e significativamente più piccolo (e più leggero). Questo è sicuramente grazie all’uso di AM. Non è un segreto che SpaceX sia uno dei principali utilizzatori per lo sviluppo e la produzione di motori a razzo. L’azienda ha investito in Velo3D e ha recentemente ampliato in modo significativo la sua divisione di ingegneria AM. Non è solo che l’AM ha consentito a SpaceX di realizzare parti del motore più piccole e leggere, è anche che la possibilità di utilizzare l’AM per produrre collettori con la forma esatta di cui hanno bisogno, consente lo sviluppo e la produzione di sistemi molto più efficienti, più piccoli e più leggeri.

Non abbiamo idea di quante parti stampate in 3D siano presenti in un motore Raptor 2, ma diciamo che sono fino a 100, che rappresentano un decimo del peso di circa 1.000 Kg del motore. Su 100 Starships (6 Raptors) e, diciamo, 35 Super Heavy (33 Raptors), sarebbero 175.500 parti prodotte in modo additivo per un totale di 175,5 tonnellate di materiali. Se SpaceX avesse mai trovato più conveniente stampare in 3D l’intero ugello del motore a razzo (come è stato fatto sperimentalmente dalla NASA e dalla Relativity), il peso delle parti stampate in 3D cambierebbe in modo significativo e potrebbe persino raddoppiare o triplicare (fino a 500 tonnellate).

Se, quindi, la società trovasse conveniente stampare in 3D l’intero razzo booster Super Heavy (come intende fare Relativity con i suoi razzi, molto più piccoli), utilizzando tecnologie DED metalliche, l’impatto dell’AM sarebbe ancora maggiore. Con ognuno un peso di circa 3.000 tonnellate, ciò porterebbe il totale a oltre 100.000 tonnellate di parti stampate in 3D solo per le navi e i booster. A proposito, SpaceX potrebbe sfruttare il supporto delle prossime startup di lancio come la stessa Relativity, RocketLab e Launcher, tutti i principali utilizzatori di AM che seguono le orme di SpaceX.

Secondo Musk, le astronavi dovranno portare in orbita 1 milione di tonnellate di materiale e trasportarlo per colonizzare Marte. Sembra logico che questo milione di tonnellate includa diverse stampanti 3D e diverse migliaia di tonnellate di materiali stampabili in 3D, inclusi sia metalli che polimeri/compositi. Forse anche un po’ di ceramica e cemento (almeno per iniziare con la costruzione interplanetaria). Molte attrezzature saranno state sviluppate appositamente per questo viaggio, inclusi molti accessori e strumenti che devono essere personalizzati per gli astronauti e i coloni. Sembra sicuro affermare che fino al 10% di questi 1 milione di tonnellate di cose avrà a che fare con la stampa 3D, comprese alcune centinaia di stampanti 3D e molti materiali. Potrebbero essere altri 100.000. Potrebbe essere necessario produrre alcune di queste parti in orbita, sulle imminenti nuove stazioni spaziali commerciali, o sulla luna. È probabile che qualsiasi produzione in orbita venga eseguita mediante stampa 3D, poiché spesso sarebbe molto più costoso spedire parti e componenti finiti dalla Terra. La sola spedizione di pacchi di materiali facilmente stoccati agli impianti di stampa 3D nello spazio manterrà le parti finite che devono essere inviate dalla Terra al minimo indispensabile.

Fare il viaggio nello spazio e oltre

Quando tutte le astronavi saranno allineate e pronte per partire, la stampa 3D in volo tornerà utile. Non lo abbiamo menzionato prima, ma possiamo immaginare che molti dei componenti della cabina delle Starships saranno stampati in 3D, utilizzando plastica ad alte prestazioni per sostituire le parti metalliche, per ridurre sia il peso che i costi. Esempi di stampa 3D PEEK e PEKK per sostituire le parti metalliche strutturali hanno già dimostrato che possono essere un’opzione praticabile per le parti aerospaziali. Sarà inoltre possibile utilizzare forti materiali di origine biologica come nylon 11 o poliesteri, policarbonati e poliuretani riciclati per stampare in 3D parti leggere progettate in modo generativo e topologicamente ottimizzate. Dal momento che Starship sarà più simile a un aeroplano che a un semplice razzo, molte delle stesse lezioni si applicheranno.

Una volta che le navi stellari si avviano alla colonizzazione di Marte, sarà necessaria la stampa 3D per le parti di ricambio su richiesta. Non il tipo di parti di ricambio che vengono stampate in 3D sulla Terra perché è più conveniente farlo (invece di tenere enormi scorte fisiche o ricostruire vecchi stampi), ma il tipo di parti che vengono stampate in 3D nello spazio, a bordo dell’astronave, perché lì non c’è altro modo nell’intero universo per ottenere quella parte. I viaggi nello spazio profondo non sono possibili senza la stampa 3D integrata. L’idea di portare con sé una o più parti che potrebbero rompersi in un viaggio di sei mesi è assurda.

Tuttavia, l’idea di portare con sé grandi quantità di polimeri e materiali metallici stampabili in 3D e alcune stampanti 3D è sensata. Saranno necessari alcuni progressi significativi in ​​termini di rendere il processo di stampa 3D (soprattutto con i metalli) più sicuro, più leggero e più efficiente dal punto di vista energetico, ma si può fare. Alcuni anni fa la NASA, insieme a Redshift (l’azienda che ha acquisito Made in Space) ha dimostrato l’uso di una stampante 3D per realizzare strumenti in polimero sulla ISS. Da allora la stampante (insieme ad altre stampanti) ha sfornato parti di ricambio e strumenti.

Il vantaggio dell’utilizzo della stampa 3D è che la quantità di materiali che devono essere trasportati (e utilizzati per realizzare la parte necessaria utilizzando un design CAD senza peso) è minima, rispetto al peso che avrebbe ogni possibile parte fisica di ricambio. Quindi possiamo lasciare tutto questo, per ora, nel totale di 100.000 tonnellate sopra indicato.

Vivere in 3D su Marte

Quando le astronavi atterreranno su Marte, potrebbero farlo su siti di atterraggio stampati in 3D. Gli astronauti e i coloni potranno tornare a casa nei loro habitat su Marte stampati in 3D. I concorsi organizzati dalla NASA per immaginare nuovi habitat su Marte hanno spesso messo in evidenza progetti che utilizzano tecnologie di stampa 3D . Anche la stessa SpaceX ha recentemente sperimentato il primo edificio stampato in 3D nel suo sito di Boca Chica. Il motivo per cui ha senso utilizzare la stampa 3D è che può costruire con materiali di provenienza locale e riduce al minimo il lavoro umano (fare lavori di costruzione in una suite per astronauti non sembra l’occupazione più facile né più sicura).

Con le corrette miscele di regolite marziana e acqua o altri leganti naturali (che possono essere prodotti localmente), potrebbe essere possibile costruire habitat in grado di schermare gli astronauti dalle radiazioni e combinarli con strutture gonfiabili per offrire una soluzione completa che può essere pronta anche prima che la maggior parte dei coloni arrivi lì. Le 200.000 tonnellate di stampanti 3D e materiali di stampa 3D dovrebbero includere anche almeno un paio di moduli di stampa 3D da costruzione e miscelatori di materiali, insieme ad alcuni leganti e cemento.

Se gli astronauti porteranno con sé alcuni atomizzatori e attrezzature per estrarre minerali dalla regolite, potrebbe essere possibile ottenere materiali strutturali come il ferro e persino il titanio. Utilizzando ceramiche naturali, idrogel e polimeri biocompatibili, insieme ad alcune biostampanti, i coloni dovranno anche essere in grado di produrre tessuti e organi sostitutivi. Sebbene sia già stato sperimentato sulla ISS , la tecnologia per farlo è ancora a pochi decenni di distanza, ma, di nuovo, lo è anche il viaggio per colonizzare Marte.

Quando inizierà la vita coloniale su Marte, tutto ciò di cui i coloni avranno bisogno dovrà essere prodotto in loco, a 310 milioni di chilometri dalla Terra, per il massimo sforzo di produzione distribuita. Ecco dove eccelle la stampa 3D. Occorrono circa 250.000 tonnellate di stampa 3D, a partire da ora.