EOS 65

Nieuwe trend in de ruimtevaart

RUIMTESCHIP uit de printer3D-printen is vandaag voornamelijk het terrein van de medische en robotica-industrie. Maar de techniek biedt ook belangrijke voordelen voor de ruimtevaart. Ze kan ons ver voorbij de maan stuwen.

A stronauten dringen steeds dieper door in de ruimte, en hun reizen worden er niet be-paald korter op. Over de kortste route naar Mars doet een ruimteschip enkele maanden,

terwijl een trip naar het dichtstbijzijnde sterrenstel-sel minstens enkele decennia in beslag zou nemen.

Dat stelt ruimtevaartagentschappen voor nieuwe uit-dagingen. Hun ruimteschepen moeten bestand zijn tegen meer straling en ruimtestof, en op de een of andere ma-nier moeten ze anticiperen op schade door inkomende brokstukken, interstellaire deeltjes of een asteroïde. Het antwoord op die gevaren zou weleens kunnen komen van een technologie die intussen al een tijdje meegaat.

‘We vertrekken naar een onzekere bestemming, dus hebben we een systeem nodig dat evolutie en groei toelaat. Dat vereist 3D-printing’, zegt Nils Faber, onder-zoeker bij Space Ecologies Art and Design (SEAD), een internationaal netwerk van wetenschappers en artiesten die zich interesseren voor de toekomst van ruimtevaart.

Faber werkt mee aan een project van de TU Delft, waar onderzoekers en kunstenaars simuleren hoe een interstellair ruimteschip eruit moet zien. 3D-printing maakt een integraal onderdeel uit van de prototypes.

‘Ons speculatief ruimteschip bevestigt zich aan een asteroïde en onttrekt daaraan materialen. Die gebruiken we als grondstof voor 3D-printing, zodat we veranderin-gen kunnen doorvoeren aan het schip als de omgeving daar om vraagt. Als er bijvoorbeeld kleine deeltjes op het schip afstevenen – een groot gevaar aan de snelheid waaraan we zouden reizen – dan kunnen we bescher-mende lagen printen uit het materiaal van de asteroïde.’

Dat ruimteschip is nog geen realiteit, maar het po-tentieel van 3D-printing is al wel bekend bij verschil-lende spelers in de ruimtevaartindustrie. Al sinds 2014 experimenteren astronauten aan boord van het ISS met 3D-printers. Het eerste toestel werd er geplaatst door Made In Space, een bedrijf dat zich intussen ver-

Tom Cassauwers

De eerste 3D-printer in de ruimte dateert van 2014. Een SpaceX-shuttle bracht dit toe-stel van de NASA en Made In Space naar het ISS, waar het dient voor experimenten.

Tom Cassauwers

EOS66

MIJNBOUW OP DE MAAN3D-printen speelt mee in een breder debat over space mining, of mijnbouw in de ruimte. Voorstanders van de techno-logie pleiten ervoor om grondstoffen te ontginnen op locaties als de maan of de planetoïdengordel tussen Mars en Jupiter. Dat zou het begin kunnen inluiden van een volwaardige ruimte-industrie. ‘Idealiter win je eerst grondstoffen op de maan en

verwerk je die met een satelliet’, zegt Nils Faber van het Space Ecologies Art and Design-netwerk. ‘Vervolgens stuur je de producten door naar een ruimtestation dat op één van de zogeheten Lagrange-punten zit. Dat zijn punten in ons zon-nestelsel waar de aantrekkingskracht van een planeet en de zon elkaar opheffen. Op die plaatsen volg je een stabiele baan rond

de zon, zonder extra aanstuwing. Daar kan je mogelijk een industrie op poten zetten bestemd voor langetermijnmis-sies in de ruimte. Bijkomend voordeel is dat die industrie de aarde niet vervuilt.’ Organisaties als de NASA en het ESA voerden eerder al haalbaarheidsstudies uit naar Lagrangepunten als locatie voor ruimtestations.

diept in zogeheten 3D-bioprinters. Bij een ongeluk dat een astronaut verwondt, zou zo’n apparaat een nieuw stuk huid of zelfs een orgaan kunnen printen.

Bij het European Space Agency (ESA) voert de Belg Stefan Siarov dan weer onderzoek uit naar hoe de tech-nologie meerdere doelen kan vervullen in outer space. ‘Ons team kijkt naar wat we nodig hebben om over tien à vijftien jaar op de maan te kunnen leven. We onder-zoeken alle technologieën die daarvoor interessant kun-nen zijn. Die variëren van nieuwe energiebronnen en stralingsbescherming tot innovaties als 3D-printen.’

Volgens Siarov laat de technologie ons toe om dy-namisch beslissingen te maken tijdens langere mis-sies. ‘Met 3D-printen wordt het mogelijk om buiten de aardatmosfeer reserveonderdelen te produceren. Afhankelijk van het scenario kan dat immers veel effici-enter zijn dan om vooraf alles mee te nemen. Honderd kilogram grondstof kan volstaan voor een missie.’

RuimtevuistregelIn de ruimte gelden andere wetten dan op aarde, en dat is niet anders op financieel vlak. Om honderd pak-ketjes van elk een kilogram van Brussel naar New York te vliegen, betaal je ongeveer 180 dollar. Wil je één pakketje van datzelfde gewicht in een baan rond de aarde krijgen, dan moet je al gauw rekenen op – hou je vast – 20.000 dollar. Bedrijven als SpaceX van Elon Musk hebben dat astronomische bedrag al wat kunnen temperen: bij hen betaal je voor een payload van een kilogram zowat de helft van die prijs. Maar dan nog han-gen grote verzendingskosten aan dat ruimtepakketje.

Daar komt verandering in, dankzij 3D-printing. Met de technologie kunnen bedrijven de apparatuur die ze de ruimte in willen mikken een pak lichter fabri-ceren. En zoals de vuistregel in de ruimtevaart gaat: minder gewicht kost minder geld. ‘Met 3D-printers bespaar je op gewicht. Elke kilo die we meenemen in de ruimte kost energie, brandstof en dus geld’, beves-tigt materiaalwetenschapper Arjan Mol (TU Delft).

‘Het grote voordeel van 3D-printen is inderdaad dat je veel lichtere stukken kan maken’, zegt Nils Faber. ‘Met computeranalyse en soms zelfs artificiële intelligentie kunnen we nagaan welke stukken van een apparaat of onderdeel essentieel zijn voor de structurele integriteit ervan. Enkel die stukken bouwen we met een 3D-printer,

volgens honingraatstructuren. De rest schrappen we. Zo halen we tot 60 procent van de massa uit een ontwerp.’

‘We maken onderdelen additief ’, zegt ook Koen Huybrechts, projectingenieur bij 3D Systems in Leuven, dat onder meer satellietonderdelen ontwikkelt en as-sembleert. ‘Bij de klassieke productietechnieken ver-trek je voor een ontwerp van een blok materiaal waar je gaandeweg dingen uit wegneemt. Bij 3D-printing doen we het omgekeerde: we vertrekken van niets en voegen enkel materiaal toe op de nodige plekken.’

De bouwmethode die Faber en Huybrechts beschrij-ven, heeft positieve neveneffecten. ‘Met 3D-printing kan je complexe onderdelen in één operatie bouwen’, zegt materiaalwetenschapper Iris De Graeve (VUB). ‘Met de conventionele methode zou je het apparaat assembleren uit verschillende delen, bijvoorbeeld door de delen aan elkaar te lassen. In complexe struc-turen vormen die assemblagenodes vaak zwakke punten, die tijd opslorpen bij het productieproces.’

Anders gezegd: werk de zwakke nodes uit het ontwerp weg en je bespaart op het gewicht, houdt er een steviger

NASA-astronaut Barry Wilmore met een tweedelige tube geprint in het ISS.

EOS 67

‘ Onderdelen printen in een

zwaartekrachtloze omgeving: ga er

maar aanstaan’

apparaat aan over, én je wint kostbare productietijd. Drie vliegen in één klap, en dat alles dankzij 3D-printen.

GiftigHoe komt het dan dat bij ruimtevaartagentschappen en -bedrijven de ruimteschepen nog niet en masse onder de 3D-printer materialiseren? ‘Daarvoor staan ze nog voor te veel uitdagingen’, zegt Arjan Mol. ‘We hebben nog niet zoveel ervaring met 3D-geprinte materia-len. In een omgeving waarin we ze nog niet hebben getest, kunnen ze zich onverwacht gedragen.’ Om de veiligheid van astronauten te vrijwaren, onderwerpen controleorganen nieuwe technologieën aan uitge-breide procedures. ‘Alles moet worden gevalideerd en gecertificeerd’, zegt Iris De Graeve. ‘Het kost jaren om een nieuwe toepassing de ruimte in te krijgen.’

Verder is de ruimte een starre werkomgeving. ‘De temperaturen schommelen er vervaarlijk en straling doet de materialen sneller degraderen’, zegt Stefan Siarov. ‘Bovendien moeten ontwerpers rekening houden met de materiaalkeuze en -pro-cessen. Als je gaat printen in een afgesloten om-geving met mensen in de buurt, moet je er zeker van zijn dat er geen giftige gassen vrijkomen.’

‘Veel technieken voor industrieel 3D-printen wer-ken met poederstoffen’, voegt Faber toe. ‘Je legt een laag van een bepaalde dikte aan, waarna je die met lasers aan elkaar versmelt. Dat levert ontwerpen op van hoge kwaliteit – goed genoeg om de meeste omstandigheden in de ruimte te doorstaan. Maar kritische onderdelen printen met poeder in een zwaartekrachtloze omgeving: ga er maar aanstaan.’

3D-printen doorvoeren kan ook alleen maar met dragers die daarvoor ontworpen zijn. ‘Ruimtesche-pen en stations moeten volledig flexibel en modulair worden, zodat we onderdelen kunnen vervangen, hergebruiken of aanpassen tijdens missies’, zegt Si-arov. Het duurt nog wel tien à twintig jaar voordat we echte demonstraties met 3D-geprinte onderde-len zien opduiken in de ruimtevaartindustrie. ■

Onderzoekers testen een 3D-printer in een zwaartekrachtloze unit van het Marshall Space Flight Center in Alabama, VS.

Tom Cassauwers is technologie-journalist. Hij schrijft over

start-ups, digitale technologie en de

toekomst.