Tehnologija budućnosti: 3D ispis u svemiru

Zamislite posadu astronauta na putu prema Marsu. Na udaljenosti od oko 225 milijuna kilometara od Zemlje otkrivaju pukotinu na svom svemirskom brodu. Umjesto da se oslanjaju na ograničene zalihe rezervnih dijelova, što ako bi mogli jednostavno proizvesti bilo koji potrebni dio na licu mjesta?

Tim istraživača sa Sveučilišta Berkeley, pod vodstvom doktoranda Taylora Waddella, možda je napravio ključan korak prema ostvarivanju ove vizije. Dana 8. lipnja, po prvi su put poslali svoju 3D tehnologiju printanja  u svemir kao dio misije Virgin Galactic 07.

Upoznajte SpaceCAL

Njihov printer za mikrogravitaciju nove generacije, nazvan SpaceCAL, proveo je 140 sekundi u suborbitalnom prostoru na svemirskoj letjelici VSS Unity. U tom kratkom vremenskom razdoblju, autonomno je ispisao i obradio četiri testna dijela, uključujući modele svemirskih brodova i figurice iz tekuće plastike zvane PEGDA.

“SpaceCAL se dobro pokazao u uvjetima mikrogravitacije tijekom prijašnjih testova na paraboličnim letovima, ali još uvijek je trebao nešto dokazati,” rekao je Waddell. “Ova najnovija misija omogućila nam je potvrdu spremnosti ove 3D tehnologije ispisa za svemirska putovanja.”

Waddell je dodao: “Nadamo se da će se jednog dana koristiti za proizvodnju svega, od dijelova i alata za svemirske brodove do novih kontaktnih leća i zubnih krunica za članove posade.”

3D printanje, poznat i kao aditivna proizvodnja, značajno se razvio od kada je prvi put patentiran 1980-ih godina. Hayden Taylor, izvanredni profesor strojarstva, predvodio je tim istraživača sa Sveučilišta Berkeley i Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) koji su 2017. godine izumili tehnologiju računalne aksijalne litografije (engl. Computed Axial Lithograph ili CAL).

Ova nova vrsta aditivne proizvodnje, koja koristi svjetlost za oblikovanje čvrstih objekata iz viskozne tekućine, proširila je raspon geometrija koje se mogu ispisati i značajno povećala brzinu ispisivanja 3D dijelova. Također, CAL tehnologija funkcionira dobro u uvjetima mikrogravitacije, otvarajući vrata primjenama vezanim za istraživanje svemira.

CAL tehnologija privukla je Waddella na Berkeley kako bi nastavio doktorat iz strojarstva. Kao dodiplomac na Sveučilištu Wisconsin, Madison, i inženjer u NASA-i, Waddell je postao fasciniran 3D ispisom zbog njegove naizgled čarobne sposobnosti da transformira ideju u fizički oblik, te njegove pristupačnosti i ekonomičnosti.

Nakon što je saznao za CAL, kontaktirao je Taylora i uskoro se našao na Berkeleyu. Tamo je proveo bezbroj sati u Taylorovom laboratoriju, radeći s drugim studentima na novim načinima iskorištavanja ove tehnologije za opće dobro.

CAL se izdvaja od drugih tehnologija 3D ispisa zbog svoje nevjerojatne brzine – stvarajući dijelove za samo 20 sekundi – i učinkovitosti. Omogućujući astronautima brzu izradu dijelova u hitnim situacijama i na zahtjev, CAL potencijalno eliminira potrebu za nošenjem tisuća rezervnih dijelova na dugotrajnim svemirskim misijama.

Prednosti CAL-a

“Možete smanjiti masu tereta, ubrzati misije i smanjiti rizik donoseći proizvodne tehnologije sa sobom,” rekao je Waddell.

Osim toga, jedinstvena sposobnost CAL-a da dobro ispisuje u uvjetima mikrogravitacije omogućava inženjerima istraživanje granica 3D ispisa iz svemira.

“S CAL-om smo uspjeli pokazati – prvo na misijama nulte gravitacije, a sada i na ovom svemirskom letu – da možemo ispisati dijelove u mikrogravitaciji koji nisu mogući na Zemlji,” rekao je Waddell.

Do danas, CAL je pokazao da može uspješno ispisati s više od 60 različitih materijala na Zemlji, uključujući silikone, staklene kompozite i biomaterijale. Prema Waddellu, ova svestranost mogla bi biti korisna i za kabinu i za posadu.

“Za kabinu, ako vam se svemirski brod pokvari, možete ispisati O-prstenove, mehaničke nosače ili čak alate,” rekao je. “Ali CAL je također sposoban ‘popravljati posadu’. Možemo ispisivati zubne nadomjestke, transplantate kože ili leće, ili stvari personalizirane za hitnu medicinu za astronaute, što je vrlo važno u ovim misijama.”

Jednog dana, CAL bi mogao biti korišten za ispis još sofisticiranijih dijelova, poput ljudskih organa. LLNL je dobio grant od NASA-e za testiranje ove tehnologije na Međunarodnoj svemirskoj postaji.

“Oni će zapravo raditi biotisak na Svemirskoj postaji,” rekao je Waddell. “Dugoročni cilj je ispisivati organe u svemiru s CAL-om, a zatim ih donijeti natrag na Zemlju.”

Waddell i njegovi kolege nadaju se započeti rad s NASA-om na razvoju i validaciji jednog objekta koji bi mogao podržati zdravlje i dobrobit posade, poput zubne krunice za astronauta ili alata za zatvaranje kirurških rana.

“Ovi eksperimenti su stvarno usmjereni na unapređenje tehnologije za dobrobit svih,” rekao je Waddell. “Iako je namijenjeno za svemir, uvijek postoji mnogo načina na koje može koristiti ljudima ovdje na Zemlji.”

To je vrsta tehnologije koju Berkeley Space Center predviđa razvijati na svom novom kampusu od 14 hektara koji je trenutno u razvoju. Berkeley Space Center bit će dom za inovacije i poduzetništvo, okupljajući tehnologije razvijene od strane NASA-e i UC Berkeley, te komercijalizirane kroz privatnu industriju.

“Zamislite mjesto gdje privatne tvrtke mogu uzeti izume poput onih koje je stvorio Taylor Waddell i omogućiti da ova važna otkrića izađu iz laboratorija i uđu u javni prostor,” rekao je Darek DeFreece, emeritus regent Sveučilišta Kalifornija i voditelj napora UC Berkeley-a na razvoju Berkeley Space Centera. “Navijali smo dok smo gledali povijesni let Virgin Galactic 07.”

Na mnogo načina, svemirska misija 8. lipnja bila je kulminacija godina istraživanja svih studenata u Hayden Taylorovom laboratoriju za nanoskalnu proizvodnju. Zajedno pomiču granice relativno nove tehnologije kako bi vidjeli što je sve moguće.

“Ovaj projekt je izgrađen na timu mnogih ljudi,” rekao je Waddell, uključujući studente istraživače Dillona Balka, Skylera Chana, Seana Chua, Briana Chunga, Ameere Elgonemy, Jacoba Gottesmana, Anthonyja Moodyja, Jakea Nickela, Dylana Pottera, Austina Portinausa, Anusri Sreenath i Audrey Young.

Virgin Galactic odigrao je ključnu ulogu u podizanju ovog projekta na sljedeću razinu. “Tim u Virgin Galacticu pomogao nam je na svakom koraku, posebno tijekom tjedna pripreme za lansiranje rakete,” rekao je Waddell. “Bilo je mnogo izvrsnih inženjera i strastvenih ljudi koji su željeli osigurati da budemo uspješni.”