پیشگامی در فضا: چگونه چاپ سه‌بعدی مرزهای ساخت و ساز فضایی را جابجا می‌کند؟

چاپ سه‌بعدی در فضا: افق‌های جدید ساخت

از زمین تا مدار: پیشگامی Horizon Microtechnologies با پوششی نوآورانه، آینده ساخت و ساز در فضا را ممکن می‌سازد

استفاده از چاپ سه‌بعدی در فضا با یک چالش اساسی روبرو بوده است: پدیده “برون‌گازی” (Outgassing). در محیط خلاء فضا، بسیاری از مواد ذرات ریزی از خود ساطع می‌کنند که می‌تواند روی تجهیزات حساس مانند لنزها و سنسورها رسوب کرده و کل یک ماموریت را به خطر اندازد. به همین دلیل، تمام مواد باید استاندارد سخت‌گیرانه ECSS-Q-ST-70-02C را پشت سر بگذارند، آزمونی که پایداری مواد در خلاء حرارتی را می‌سنجد.

اکنون، شرکت Horizon Microtechnologies با یک نوآوری کلیدی این مانع را از سر راه برداشته است. این شرکت به جای توسعه یک ماده چاپی جدید، یک پوشش تخصصی ابداع کرده که می‌توان آن را روی قطعات چاپ سه‌بعدی اعمال کرد. این پوشش هوشمندانه مانند یک سپر عمل کرده و از آزادسازی ذرات فرار جلوگیری می‌کند و باعث می‌شود قطعه نهایی با موفقیت آزمون‌های برون‌گازی را پشت سر بگذارد. این دستاورد به این معناست که طیف وسیعی از قطعات ساخته شده با روش‌های مختلف می‌توانند “صلاحیت فضایی” کسب کنند.

اهمیت این پیشرفت بسیار زیاد است. چاپ سه‌بعدی در حال حاضر نیز در ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS) برای ساخت قطعات یدکی ضروری و کاهش هزینه‌های هنگفت پرتاب موشک استفاده می‌شود. همچنین قطعات پیچیده موتورهای موشک و ماهواره‌ها روی زمین با این فناوری ساخته می‌شوند. موفقیت Horizon Microtechnologies راه را برای استفاده گسترده‌تر، مطمئن‌تر و متنوع‌تر از سخت‌افزارهای چاپ سه‌بعدی در فضاپیماها، ماهواره‌ها و ماموریت‌های آینده به اعماق فضا هموار می‌کند و گامی بزرگ به سوی ساخت و ساز مستقل و پایدار در فضا محسوب می‌شود.

پادکست مقاله :چاپ سه‌بعدی در فضا

چگونه چاپ سه‌بعدی با غلبه بر چالش “برون‌گازی” فضا را تسخیر می‌کند؟

یک پوشش نوآورانه، چالش حیاتی “برون‌گازی” را حل کرده و درهای فضا را به روی قطعات چاپی باز می‌کند

مقدمه :

فناوری چاپ سه‌بعدی (3D Printing) دنیای ساخت و تولید را به شکلی بی‌سابقه متحول کرده است. از ساخت قطعات پیچیده صنعتی گرفته تا تولید اشیاء روزمره در خانه، این تکنولوژی پتانسیل‌های عظیمی را آشکار ساخته است. با این حال، وقتی صحبت از کاربرد چاپ سه‌بعدی در محیط بی‌نهایت چالش‌برانگیز فضا به میان می‌آید، موانع و الزامات به طرز چشمگیری افزایش می‌یابند. دلیل اصلی این موضوع، ماهیت فرار و ناپایدار برخی از مواد چاپ سه‌بعدی و نیاز حیاتی به قابلیت اطمینان فوق‌العاده در صنعت هوافضا است.

برای سال‌ها، یافتن نمونه‌هایی از کاربرد گسترده چاپ سه‌بعدی در فضا دشوار بود، اما اکنون به نقطه عطفی رسیده‌ایم. شرکت Horizon Microtechnologies، با موفقیت خیره‌کننده‌اش در گذراندن استانداردهای دقیق تست‌های صنعتی برای اطمینان از قابلیت اعتماد مواد مورد استفاده در صنعت فضایی، گامی بزرگ در جهت استفاده هرچه بیشتر از قطعات چاپ سه‌بعدی در فضا برداشته است. این موفقیت نه تنها یک پیشرفت فنی است، بلکه نویدبخش آینده‌ای روشن برای ساخت و ساز در جاذبه صفر، از جمله ساخت فضاپیما و تجهیزات مرتبط با آن است.

چالش اساسی فضا: آزمون “برون‌گازی” و استانداردهای سخت‌گیرانه  ECSS

فضا محیطی بی‌رحم است که کوچکترین نقص در مواد می‌تواند عواقب فاجعه‌باری به دنبال داشته باشد. یکی از مهم‌ترین چالش‌هایی که مواد مورد استفاده در فضا باید از آن عبور کنند، پدیده “برون‌گازی” (Outgassing) است . اما “برون‌گازی” دقیقا چیست و چرا اینقدر اهمیت دارد؟

آزمون برون‌گازی در واقع فرآیندی است که طی آن میزان مواد فرار آزاد شده یا بازجذب شده توسط یک قطعه مورد آزمایش، اندازه‌گیری می‌شود. در محیط خلاء فضا، برخی مواد تمایل دارند گازها یا ذرات ریز را از خود ساطع کنند. این ذرات فرار می‌توانند مشکل‌ساز باشند؛ زیرا ممکن است بر روی سطوح دیگر، به ویژه سطوح حساس نوری یا الکترونیکی، رسوب کرده و باعث آلودگی یا اختلال در عملکرد تجهیزات شوند. به همین دلیل، این فرآیند تست، به دنبال هرگونه “آلودگی متقابل” (Cross Contamination) با اقلام مجاور که ممکن است ذرات آزاد شده را جذب کنند، می‌گردد. تصور کنید یک لنز تلسکوپ فضایی با ذرات آزاد شده از یک قطعه پلاستیکی آلوده شود؛ این امر می‌تواند ماموریت را به طور کلی به خطر اندازد.

برای اطمینان از بالاترین سطح ایمنی و عملکرد، مواد فضایی باید از الزامات خاصی که توسط نهادهای معتبری مانند “همکاری اروپایی برای استانداردسازی فضا” (European Cooperation for Space Standardization – ECSS) تعیین شده‌اند، تبعیت کنند. استاندارد کلیدی در این زمینه “ECSS-Q-ST-70-02C” است. این استاندارد یک “آزمون خلاء حرارتی” (Thermal Vacuum Test) را برای تعیین ویژگی‌های غربالگری برون‌گازی مواد پیشنهاد شده برای استفاده در ساخت فضاپیما و تجهیزات مرتبط، تأسیسات خلاء مورد استفاده برای تست سخت‌افزار پروازی و همچنین برخی از سخت‌افزارهای پرتاب‌کننده، توصیف می‌کند. گذراندن این آزمون نه تنها نشان‌دهنده پایداری مواد در محیط سخت فضا است، بلکه تضمینی برای محافظت از تجهیزات حساس در برابر آلودگی و اطمینان از عملکرد صحیح آن‌ها در طول ماموریت‌های طولانی‌مدت است.

شاهکار Horizon Microtechnologies: پوششی برای عبور از مرزها

با وجود چالش‌های فراوان، شرکت Horizon Microtechnologies توانست این مانع بزرگ را با یک راه‌حل هوشمندانه و نوآورانه از پیش رو بردارد. آن‌ها موفقیت چشمگیر خود را با “پوشش دادن قطعات چاپ سه‌بعدی” به دست آوردند. این شرکت با استفاده از “روش پوشش‌دهی خاص خود” که به همین منظور توسعه داده شده، توانست به طور موفقیت‌آمیزی الزامات استاندارد برای آزمون‌های برون‌گازی را پشت سر بگذارد.

آندریاس فرولیش (Andreas Frölich)، مدیرعامل Horizon Microtechnologies، اشتیاق خود را نسبت به نتایج موفقیت‌آمیز ابراز کرده و به اهمیت توسعه آن‌ها اشاره نمود. فرولیش تاکید کرد که فرآیند پوشش‌دهی تضمین می‌کند که سازه‌های چاپ سه‌بعدی قادر به برآورده کردن استانداردهای سخت‌گیرانه‌ای هستند که برای اطمینان از ایمنی در طول سفر فضایی در نظر گرفته شده‌اند.

نکته حائز اهمیت این است که این دستاورد، بیشتر در زمینه “تایید پوشش” است که می‌تواند روی قطعات چاپ شده سه‌بعدی (و حتی قطعات قالب‌گیری تزریقی یا شکل‌دهی شده با خلاء) اعمال شود، نه صرفا خود فرآیند چاپ. این بدان معناست که این پوشش می‌تواند به طیف وسیعی از مواد و تکنیک‌های تولیدی قابلیت‌های فضایی را اضافه کند، که خود یک پیشرفت بسیار مهم است. این توانایی در پوشش‌دهی است که به مواد چاپ سه‌بعدی این امکان را می‌دهد تا به استانداردهای سختگیرانه فضا برسند و در برابر پدیده‌های مخرب مانند برون‌گازی مقاوم شوند.

چاپ سه‌بعدی در فضا: حال و آینده

موفقیت Horizon Microtechnologies پیامدهای گسترده‌ای برای آینده فناوری فضایی دارد. با این پیشرفت، به احتمال زیاد شاهد “سخت‌افزارهای چاپ سه‌بعدی بیشتری در طیف وسیعی از فناوری‌های فضایی آینده” خواهیم بود، از جمله در ساخت فضاپیماها، سخت‌افزار ماهواره‌ها و موارد دیگر.

این رویا، تنها محدود به آینده‌ای دور نیست؛ چاپ سه‌بعدی در فضا همین حالا هم در حال وقوع است. بیش از یک دهه است که چاپ سه‌بعدی در “ایستگاه فضایی بین‌المللی (ISS)” در جریان است. فضانوردان در ISS توانسته‌اند اشیائی را در محیط “ریزجاذبه” (Micro-gravity) چاپ سه‌بعدی کنند. البته این فرآیند از پلاستیک‌های با دمای پایین به جای فیلامنت‌های سنتی استفاده می‌کند، زیرا تمامی منابع حرارتی و آتش در ISS به شدت کنترل می‌شوند. همچنین، این فقط محدود به فناوری FDM (مدلسازی رسوب ذوب شده) نیست، بلکه شامل “SLM فلزی” (Selective Laser Melting) نیز می‌شود که امکان چاپ سه‌بعدی قطعات فلزی را فراهم می‌کند.

اما چرا چاپ سه‌بعدی در فضا اینقدر حیاتی است؟ مزایای اصلی چاپ سه‌بعدی در فضا، “توانایی ساخت یک قطعه بدون هزینه پرتاب یک موشک به ایستگاه” است. تصور کنید یک قطعه حیاتی در یک فضاپیما خراب شود. به جای انتظار برای ارسال قطعه جایگزین با یک پرتاب گران‌قیمت موشک، که ممکن است هفته‌ها یا ماه‌ها طول بکشد و میلیاردها دلار هزینه داشته باشد، اکنون فضانوردان می‌توانند به سادگی “یک قرقره فیلامنت را باز کرده، نرم‌افزار برش‌دهنده خود را بارگذاری کرده و آن قطعه حیاتی را چاپ کنند”. این نه تنها در هزینه‌ها صرفه‌جویی می‌کند، بلکه زمان را به شدت کاهش داده و استقلال عملیاتی بی‌نظیری را برای ماموریت‌های فضایی به ارمغان می‌آورد. این قابلیت به ویژه برای ماموریت‌های طولانی‌مدت به مریخ یا فراتر از آن که امکان ارسال مداوم منابع زمینی وجود ندارد، حیاتی است.

علاوه بر ساخت قطعات در فضا، “قطعات چاپ سه‌بعدی برای استفاده در فضا” نیز در حال حاضر رایج هستند. به عنوان مثال، از “قطعات فلزی چاپ شده با SLM در موتورهای موشک” استفاده می‌شود، مانند موتورهای Rutherford شرکت Rocket Lab. همچنین، “قطعات پلیمری” (مانند PEEK که بسیار رایج است) در ماهواره‌ها به کار می‌روند. این نشان می‌دهد که صنعت هوافضا قبلاً از مزایای چاپ سه‌بعدی برای ساخت قطعات با کارایی بالا در زمین نیز بهره می‌برد، و اکنون با پیشرفت‌هایی مانند Horizon Microtechnologies، مسیر برای استفاده مستقیم‌تر و گسترده‌تر در خود فضا هموارتر می‌شود.

فراتر از افق: چشم‌انداز گسترده‌تر تولید فضایی

ایده استفاده از چاپ سه‌بعدی در صنعت فضایی، جذابیتی فراوان دارد و پتانسیل‌های بی‌شماری را در خود جای داده است. این تنها یک بخش از تصویر بزرگتر نوآوری در فضا است. در کنار چاپ سه‌بعدی، پیشرفت‌های دیگری نیز در حال وقوع است که همگی به سمت خودکفایی و پایداری در فضا حرکت می‌کنند:

• ماهواره‌های جدید برای تولید نیمه‌هادی‌ها در فضا: این امر می‌تواند وابستگی به زمین برای تولید قطعات الکترونیکی حساس را کاهش دهد.
• پژوهشگران MIT در زمینه چاپ سه‌بعدی شیشه: این فناوری می‌تواند راه را برای ساخت لنزها، پنجره‌ها و سایر اجزای اپتیکی در فضا هموار کند.
• رزین چاپگر سه‌بعدی که به طور بی‌نهایت قابل بازیافت است:  این نوآوری به کاهش ضایعات در فضا کمک می‌کند و منابع را بهینه می‌سازد.
• سازه‌های چاپ سه‌بعدی ۱۰ برابر نازک‌تر از تار موی انسان:  این پیشرفت می‌تواند به ساخت قطعات فوق‌سبک و پیچیده برای حسگرها و تجهیزات دقیق کمک کند.
• فناوری جدید چاپ سه‌بعدی که سازه‌های سخت و نرم را در یک چاپ واحد ترکیب می‌کند: این نوآوری با استفاده از رزین‌های نوین و منابع نوری متفاوت امکان ساخت قطعات با ویژگی‌های مکانیکی متنوع را فراهم می‌آورد.
• پلاستیک‌های محلول در آب برای بازیافت بهتر چاپ‌های سه‌بعدی:  این رویکرد نیز به بهبود فرآیندهای بازیافت و کاهش پسماند در محیط‌های بسته فضایی کمک شایانی می‌کند.
• خانه‌های چاپ سه‌بعدی که برای اولین بار در برابر زلزله آزمایش شدند : اگرچه مستقیماً مربوط به فضا نیست، اما این موضوع نشان‌دهنده پتانسیل چاپ سه‌بعدی برای ساخت سازه‌های مقاوم و پایدار در محیط‌های چالش‌برانگیز است که می‌تواند در آینده به ساخت زیستگاه‌های فضایی نیز تعمیم یابد ،.

تمامی این پیشرفت‌ها، نویدبخش آینده‌ای هستند که در آن انسان می‌تواند با استقلال بیشتری در فضا زندگی و کار کند، بدون اینکه کاملا به منابع و زنجیره تامین از زمین وابسته باشد.

جمع‌بندی : افق‌های جدید ساخت و ساز فضایی

پیشرفت Horizon Microtechnologies در زمینه پوشش‌دهی مواد چاپ سه‌بعدی برای مطابقت با استانداردهای سخت‌گیرانه فضایی، یک گام بسیار مهم و استراتژیک برای گسترش استفاده از فناوری چاپ سه‌بعدی در فضا است. این موفقیت، به طور خاص با غلبه بر چالش “برون‌گازی”، مسیر را برای کاربردهای وسیع‌تر در آینده هموار می‌سازد.

همانطور که تکنولوژی‌های چاپ سه‌بعدی در حال بلوغ هستند، پتانسیل آن‌ها برای متحول کردن نحوه طراحی، ساخت و نگهداری فضاپیماها و تجهیزات فضایی در مدار، به طور فزاینده‌ای آشکار می‌شود. از ساخت قطعات یدکی در ایستگاه فضایی گرفته تا تولید سازه‌های پیچیده برای ماموریت‌های آتی در اعماق فضا، چاپ سه‌بعدی کلید گشایش افق‌های جدیدی در کاوش‌های فضایی و ایجاد یک حضور دائمی و پایدار برای بشریت فراتر از زمین است. این تازه آغاز راه است و آینده‌ای که در آن انسان بتواند هر آنچه را که در فضا نیاز دارد، همانجا بسازد، به واقعیت نزدیک‌تر می‌شود.

———————————————————————————

• نکات کلیدی:

• چالش اصلی: پدیده “برون‌گازی” (Outgassing) مانع اصلی استفاده گسترده از قطعات چاپ سه‌بعدی در فضا بوده است.
• استاندارد حیاتی: مواد فضایی باید آزمون خلاء حرارتی استاندارد “ECSS-Q-ST-70-02C” را برای سنجش برون‌گازی بگذرانند.
• راه‌حل نوآورانه: شرکت Horizon Microtechnologies یک پوشش ویژه توسعه داده که با اعمال آن روی قطعات چاپ سه‌بعدی، آن‌ها را در برابر برون‌گازی مقاوم می‌کند.
• تاییدیه فضایی: این پوشش با موفقیت استانداردهای لازم را گذرانده و راه را برای استفاده از طیف وسیعی از قطعات چاپی در فضا باز کرده است.
• کاهش هزینه و زمان: چاپ سه‌بعدی در فضا نیاز به پرتاب‌های گران‌قیمت موشک برای ارسال قطعات یدکی را از بین می‌برد.
• کاربردهای فعلی: از چاپ سه‌بعدی هم اکنون در ایستگاه فضایی بین‌المللی (برای ساخت قطعات) و در زمین (برای ساخت موتور موشک) استفاده می‌شود.
• آینده ساخت و ساز فضایی: این پیشرفت، گامی مهم به سوی خودکفایی در فضا و ساخت پایگاه‌ها و تجهیزات در ماموریت‌های طولانی‌مدت است.

• نکات تکمیلی:

• برون‌گازی چیست؟ فرآیندی که در آن یک ماده در خلاء، ذرات فراری از خود آزاد می‌کند که می‌تواند موجب آلودگی تجهیزات حساس شود.
• فناوری‌های متنوع: چاپ سه‌بعدی در فضا محدود به پلاستیک نیست و شامل چاپ فلزات با روش SLM (ذوب لیزری انتخابی) نیز می‌شود.
• مواد رایج: پلیمرهایی مانند PEEK به دلیل خواص مکانیکی و حرارتی بالا، از مواد رایج در چاپ سه‌بعدی قطعات فضایی (روی زمین) هستند.

• نتیجه‌گیری:

موفقیت شرکت Horizon Microtechnologies در توسعه یک پوشش مقاوم در برابر برون‌گازی، یک نقطه عطف استراتژیک برای صنعت فضاست. این نوآوری با حل یکی از فنی‌ترین و حیاتی‌ترین موانع، به فناوری چاپ سه‌بعدی اجازه می‌دهد تا پتانسیل کامل خود را برای ساخت و ساز در مدار آزاد کند. این پیشرفت نه تنها هزینه و پیچیدگی ماموریت‌های فضایی را کاهش می‌دهد، بلکه با ممکن ساختن تولید مستقلانه قطعات، مسیر را برای حضور پایدار و بلندمدت انسان در ماه، مریخ و فراتر از آن هموار می‌سازد.

• پرسش‌های تحقیقاتی بیشتر:

• فراتر از پوشش‌دهی، چه تحقیقاتی روی پلیمرها و آلیاژهای فلزی جدید در حال انجام است که ذاتاً خواص برون‌گازی پایینی داشته باشند و نیاز به فرآیندهای ثانویه را حذف کنند؟
• زنجیره تامین مواد اولیه (فیلامنت، پودر، رزین) برای چاپگرهای سه‌بعدی در یک ماموریت طولانی‌مدت به مریخ چگونه مدیریت خواهد شد و چه زمانی می‌توانیم به فناوری “استفاده از منابع درجا” (ISRU) برای تولید این مواد از خاک ماه یا مریخ دست یابیم؟
• سیستم‌های کنترل کیفیت و اعتبارسنجی برای یک قطعه حیاتی که در فضا چاپ می‌شود (دور از آزمایشگاه‌های زمینی) چگونه کار خواهند کرد تا از عملکرد بی‌نقص آن اطمینان حاصل شود؟
• با رشد صنعت تولید در فضا، چه قوانین و معاهدات بین‌المللی برای مالکیت معنوی طرح‌هایی که در فضا چاپ و استفاده می‌شوند، مورد نیاز است؟

• سخن پایانی نویسنده پیشنهادی :

گاهی اوقات بزرگترین انقلاب‌ها در جزئیات فنی و به ظاهر خسته‌کننده پنهان شده‌اند. همه ما رویای ساخت پایگاه در مریخ را داریم، اما این مقاله به زیبایی نشان می‌دهد که قبل از آن باید مشکل ساده اما مرگباری مثل “برون‌گازی” یک قطعه پلاستیکی کوچک حل شود! این دستاورد شرکت Horizon Microtechnologies برای من نماد واقعی مهندسی است: تبدیل یک ایده علمی-تخیلی به یک واقعیت قابل اعتماد از طریق حل مشکلات طاقت‌فرسا. این خبر به ما یادآوری می‌کند که آینده فضایی بشر نه با یک جهش، بلکه با هزاران گام هوشمندانه مانند این ساخته می‌شود. این موفقیت‌ها الهام‌بخش است و نشان می‌دهد که برای رسیدن به ستاره‌ها، ابتدا باید بر فیزیک و شیمی همین‌جا، روی میز کار، مسلط شویم.

منبع : به گزارش tomshardware

 

در مجله سایبرلایف بخوانید