US-Forschende entwickeln 3D-gedruckte Gerät zur Erkennung von Verschmutzung im Weltraum

Ein Team des Johns Hopkins Applied Physics Laboratory hat einen neuen Rahmen für die additive Fertigung eines Raumfahrtinstruments zur Erkennung von Luftverschmutzung entwickelt.

Das Compact Hyperspectral Air Pollution Sensor Demonstrator (CHAPS-D) Projekt, finanziert durch die Earth Science Division der NASA, zielt darauf ab, ein Instrument zu entwickeln, das auf einem schuhkartongroßen Satelliten montiert, Quellen der Luftverschmutzung aus dem niedrigen Erdorbit mit einer beispiellosen Auflösung von etwa einem halben Quadratmeilen isolieren kann. Die additive Fertigung, insbesondere das Laserschmelzen von Metallpulvern, wurde ausgewählt, um Teile schnell und kostengünstig zu produzieren, die nur einen Bruchteil des Gewichts herkömmlich gefertigter Teile wiegen.

“Wir hatten nicht einmal auf dem Radar, dass die Arbeit für einen Preis in Frage kommen würde, geschweige denn für zwei”, sagte Walter Zimbeck, ein Elektro- und Computeringenieur des APL, Berater von Post und Mitautor der Studie, der den Druckprozess überwachte.

Das Team entschied sich für ein hochfestes Aluminiumlegierungspulver namens Scalmalloy, das durch den Zusatz des Elements Scandium verstärkt wird. Die Herausforderung bestand darin, nicht nur eine Legierung, sondern auch spezifische Verarbeitungsparameter auszuwählen, die das endgültige Material für seine Anwendung im Weltraum optimal gestalten.

“Man müsste nicht etwas Schwieriges oder Unmögliches maschinell bearbeiten oder Zeit für den Zusammenbau aufwenden”, sagte Bill Swartz vom APL, der leitende Forscher von CHAPS-D. “Theoretisch könnte man es einfach ausdrucken.”

“Man wählt nicht nur eine Legierung für die Anwendung aus, sondern eine Legierung und Verarbeitungsparameter, die dann das endgültige Material ergeben”, so Zach Post.

Das CHAPS-D-Projekt nutzte topologische Optimierung, eine Methode, die die Materialverteilung in einer Struktur anpasst, so dass Material nur dort verwendet wird, wo es absolut notwendig ist, und druckte den Körper des Instruments aus. Dieser Ansatz ermöglichte es dem Team, in nur sechs Monaten eine Material- und Verarbeitungslösung zu isolieren. Die Entwicklung solcher Materialien, die traditionell bis zu drei Jahre dauern kann, wurde durch schnelle Modellierung und maschinelles Lernen auf wenige Wochen verkürzt.

“Diese neue Technik ermöglicht es dem APL, Werkstoffe schneller zu entwickeln als die Branche”, sagte Steve Storck, leitender Wissenschaftler für Fertigungstechnologien beim APL und Mitverfasser der Studie. “Wir haben Techniken des maschinellen Lernens und der Vorauswahl entwickelt, die es uns ermöglichen, effizient zu erkennen, wie die einzelnen Variablen zusammenwirken und wie sich dies letztendlich auf die Endleistung auswirkt.”

Das erfolgreich gedruckte Instrument, dessen endgültiges Design außerirdisch anmutet, ist ein Beweis für das Potenzial des 3D-Drucks, die Fertigung von Raumfahrtkomponenten zu revolutionieren, indem es Designfreiheiten bietet, die mit herkömmlichen Methoden unerreichbar wären. Diese Technologie hat nicht nur die Entwicklung des CHAPS-D Instruments ermöglicht, sondern findet auch rasch Anwendung in anderen Bereichen der APL-Forschung, einschließlich Raumfahrt, Unterwasser- und Hyperschallanwendungen.

“Das Projekt ist ein großartiges Beispiel dafür, wie wir bei APL die additive Fertigung nutzen, um Technologien zu verbessern oder neue Fähigkeiten zu ermöglichen, die sonst nicht möglich wären”, sagte Morgana Trexler, Leiter des Programms Science of Extreme and Multifunctional Materials in APL’s Research and Exploratory Development Mission Area. “Dies ist ein schönes Beispiel dafür, wie starke Forschung genutzt werden kann, um eine neue Fähigkeit für eine Missionsanwendung zu ermöglichen.”

Die erfolgreiche Anwendung des 3D-Drucks im CHAPS-D-Projekt illustriert das immense Potenzial additiver Fertigungstechnologien, traditionelle Herstellungsverfahren zu übertreffen und neue Möglichkeiten für Missionen in der Luft- und Raumfahrt sowie in anderen fortschrittlichen Technologiebereichen zu eröffnen.