by Innspace teamDruga dekada XXI w. przeniosła nas na kolejny etap rozwoju metod eksploracji kosmosu oraz wykorzystywania przestrzeni kosmicznej, by służyła człowiekowi. Rakiety wielokrotnego użytku, nadchodząca możliwość lotów suborbitalnych dla turystów, czy realizacja projektu utworzenia globalnego zasięgu sieci internetowej dzięki nadajnikom satelitarnym, to tylko te najbardziej znane i widoczne efekty pracy ogromnej rzeszy naukowców i inżynierów. Ten rozwój nie byłby jednak możliwy, gdyby nie kilka kluczowych technologii, które w miarę upływu czasu coraz bardziej rewolucjonizują przemysł kosmiczny, a z czasem być może wpłyną na to jak wygląda nasze codzienne życie.
Autor: Cyrus Sidor
Druk 3D
Druk 3D, czyli inaczej technologie wytwarzania przyrostowego to sposób produkcji wynaleziony w 1980 r. przez Charlesa Hulla. Dopiero jednak w ostatnich latach ta technologia zaczęła pełnić znaczącą rolę w przemyśle wyższych technologii (kosmicznym i lotniczym). Zasadniczymi zaletami druku 3D w porównaniu do konwencjonalnych technologii wytwarzania (technologii ubytkowych) jest możliwość tworzenia elementów bardzo skomplikowanych i znaczące zmniejszenie masy, co jest kluczowe w przypadku przemysłu kosmicznego. Druk 3D pozwala także na precyzyjne wytwarzanie elementów bardzo małych i unikatowych w stosunkowo krótkim czasie. Nie ma potrzeby kilkukrotnego przestawiania skomplikowanych maszyn, by wykonać element, wystarczy wczytać model elementu do programu i można rozpocząć produkcję. Jest to niezwykle przydatne przy prototypowaniu oraz w przestrzeni kosmicznej, gdzie masa, przestrzeń i możliwości produkcyjne są niezwykle ograniczone.
Różnorodność metod druku 3D oraz materiałów, z których można wytwarzać elementy jest tak szeroka (od metali – tytan, nikiel, przez cement, aż po żywność), że technologie te mają wpływ na niemal każdą gałąź przemysłu.
Przemysł kosmiczny już dziś korzysta z dobrodziejstw druku 3D, produkując części zamienne na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (ISS), a nawet elementy silników rakietowych. Aktualnie pracuje się na technologiami druku umożliwiającymi wyprodukowanie materiałów budowlanych na Księżycu, lub wydrukowanie całych modułów bazy księżycowej korzystając z księżycowego regolitu.
Technologie podtrzymywania życia
Przestrzeń kosmiczna czy powierzchnia Księżyca, to nie są najbardziej sprzyjające miejsca dla człowieka, ani dowolnego innego organizmu. Aby odbywać przełomowe misje człowiek musi mieć zapewnione podstawowe warunki bytowe – dostęp do wody, tlenu o odpowiednim ciśnieniu i temperaturze oraz pożywienia. Te elementy zaś generują problemy związane z produktami ubocznymi (np. dwutlenkiem węgla) i odpadami. Zapewnienie zatem długotrwałej obecności człowieka na orbicie (np. ISS – Międzynarodowa Stacja Kosmiczna) było dla naukowców i inżynierów zadaniem niełatwym. Idealnym rozwiązaniem byłoby stworzenie zamkniętego środowiska, przypominającego warunki ziemskie. Jednak narzędzia, które posiada człowiek są uboższe niż te, które posiada natura.
Każdy system podtrzymywania życia musi poza umożliwieniem uzdatniania wody oraz powietrza i utrzymaniem odpowiedniego ciśnienia i wilgotności, zapewnić ciągłą kontrolę nad stężeniem niebezpiecznych substancji oraz w miarę możliwości zajmować się ich neutralizacją.
Rozwój tych systemów w ostatnim dziesięcioleciu pozwolił na oszczędzanie do 400 l wody wysyłanej na ISS rocznie. Ponadto, wciąż pracuje nad technologiami nowej generacji, takimi jak: przenośny regulator tlenu, przenośny system usuwania dwutlenku węgla i wilgoci, czy ulepszone rękawice do spacerów kosmicznych – elementy te mają umożliwić nieograniczoną w czasie możliwość wykonywania spacerów kosmicznych (EVA – Extravehicular Acivity). Wciąż unowocześniane i wymieniane są także systemy pokładowe ISS – systemy przetwarzania wody oraz tlenu. Nad tymi technologiami pracują zarówno naukowcy europejscy (ESA) jak i amerykańscy (NASA). Umożliwią one w przyszłości na odzyskanie blisko 100% tlenu z dwutlenku węgla wydychanego przez ludzi na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej.
Materiały o ulepszonych właściwościach
Przestrzeń kosmiczna to niegościnne miejsce nie tylko dla życia. W przeważającym stopniu wypełnia ją próżnia, która sprawia, że kosmos pełen jest skrajności. Od temperatur rzędu -240°C w miejscach zacienionych, przez temperatury podnoszące się do setek stopni Celsjusza, gdy są oświetlane przez Słońce (albo inne gwiazdy) do nawet milionów stopni – na jego powierzchni. Tak zmiennym warunkom muszą sprostać urządzenia, które wysyłamy w kosmos. Wciąż jednak naukowcy opracowują nowe lub ulepszają istniejące materiały, by mogły sprostać tym niezwykle trudnym warunkom eksploatacyjnym i umożliwiły coraz dłuższą i niezawodną pracę urządzeń w przestrzeni kosmicznej.
Jednym z takich materiałów jest „szkło metaliczne” (ang. Bulk Metallic Glass) oraz inne metale amorficzne. Materiały te mogą łączyć w sobie zalety ceramiki w kontekście odporności na ścieranie wraz z wytrzymałością większą od tytanu w temperaturach rzędu -100°C, a dzięki małej gęstości nie ma przeciwwskazań do zastosowania ich w technologiach kosmicznych.
Wiele znanych nam metali traci swoje właściwości w bardzo niskich temperaturach (poniżej -100°C) oraz wymaga smarowania elementów ruchomych, co sprawia, że wysyłanie urządzeń mechanicznych (np. łazików) na inne planety wiąże się z ich niską wytrzymałością, krótką eksploatacją oraz dodatkowym wydatkiem energii, by utrzymać wyższą temperaturę współpracujących ze sobą elementów mechanicznych (np. przekładni, łożysk itp.).
Naukowcy z NASA już dziś starają się opracować przekładnie zębate zdolne do pracy w temperaturach zewnętrznych rzędu -170°C, bez potrzeby dodatkowego ogrzewania lub smarowania. Tego typu urządzenia mają szansę umożliwić zwiększenie ilości eksperymentów naukowych przeprowadzanych w trudnych warunkach ze względu na mniejsze zapotrzebowania na energię, niezawodność oraz zmniejszenie masy całego urządzenia.
Amorficzne metale mają także zastosowanie w biomedycynie, technologiach MEMS, czy nanotechnologii, a dokąd jeszcze zaprowadzi nas ich rozwój odkryje przed nami przyszłość.
A Wy? Jakie technologie uważacie za przełomowe w kontekście eksploracji kosmosu? Dajcie nam znać!
Więcej na ten temat możecie posłuchać w naszej rozmowie z Cyrusem.