Kan man 3D-printe metal i rummet?

Når du rejser i et rumskib og pludselig får brug for en særlig stjerneskruetrækker, er der langt til den nærmeste Silvan.

Men hvis nu 3D-metalprintere fungerer i rummet, vil astronauter selv kunne fremstille værktøjer og reservedele efter behov.

Det skal testes sidst på året, hvor den internationale rumstation ISS bliver udstyret med en 3D-printer, der kan printe genstande i rustfrit stål. Den fuldautomatiske printer skal forsøge sig med fire forskellige print, hvoraf det ene er designet af forskere fra Danmarks Tekniske Universitet (DTU).

Den danske astronaut Andreas Mogensen skal hjælpe med at udføre eksperimentet, som først og fremmest skal vise, at 3D-metalprint kan lade sig gøre i den vægtløse tilstand. I første omgang skal de 3D-printede genstande ikke bruges i rummet, men blot flyves tilbage til Jorden for at blive testet for styrke og præcision.

Forsøgsresultaterne skal bruges til at forbedre 3D-printeren, så en fremtidig version kan bruges til at fremstille reservedele og værktøjer i rummet. Det kan specielt være nyttigt på langvarige missioner langt fra Jorden, for eksempel på turen til Mars. På længere sigt kan metalprint også bruges til at genbruge satellitter og rakettrin.

»Det er et stort skridt fremad at kunne 3D-printe i metal i rummet. Det er ikke blevet gjort før. Hvis det lykkes, er næste skridt at printe genstande, som kan bruges, hvis noget skal repareres eller forbedres deroppe,« siger professor John Leif Jørgensen fra DTU’s Institut for Rumforskning og Rumteknologi (DTU Space).

Andreas Mogensen skal installere printeren

3D-printeren er fremstillet af et konsortium ledet af det franske firma Airbus Defence and Space på bestilling fra den europæiske rumorganisation ESA. Den ankommer til ISS med et forsyningsrumskib til november, hvor Andreas Mogensen vil være klar til at tage imod den.

Det bliver sandsynligvis den danske astronaut, der skal pakke printeren ud og sørge for at installere den i det europæiske ISS-modul Columbus.

»Hvis alt går efter planen, skal jeg i hvert fald tage imod de to første print. Men der er meget, der skal gøres klar, inden forsøget kan gå i gang,« fortæller Andreas Mogensen over en videoforbindelse.

»Vi skal have rykket rundt på nogle racks (en særlig reol til installation af udstyr, red.) i Columbus-laboratoriet. Først skal vi have installeret et nyt rack kaldet European Drawer Rack 2, og vi skal teste det og tjekke, at alt fungerer. Når metalprinteren så kommer op i november, skal den installeres i det nye rack, og så kan den gå i gang med at printe.«

En laser smelter metaltråd

3D-metalprinteren bliver fjernstyret fra Jorden, men Andreas Mogensen skal sørge for at fjerne objekter fra printeren, efterhånden som de bliver printet færdig, og for hvert nyt print skal der indsættes en rund metalskive som base for printet.

Printeren er på størrelse med en lille kuffert og kan printe objekter omtrent på størrelse med en knyttet barnehånd. De må højst være fem centimeter i diameter og otte centimeter i højden.

Den fungerer ved, at et printhoved forsynes med tynd stålwire, som løbende smeltes ved hjælp af en laserstråle, så stålet bliver flydende. Mange ganske små dråber stål deponeres meget præcist i forhold til hinanden, og lag for lag smelter dråberne sammen til den genstand, printeren er programmeret til at printe – heriblandt et design fra DTU Space.

Printeren skulle være ufarlig

For holdet bag 3D-metalprinteren var en af de største udfordringer at sikre, at printeren ikke kan udgøre en risiko for astronauterne, fortæller projektleder Rob Postema fra ESA:

»Vi skulle sørge for, at laserstråle ikke kan ramme astronauterne, og at de ikke udsættes for dampe frigivet ved printprocessen.«

Desuden var det en udfordring at sikre en god opløsning og præcision. Christian Perti er lektor på Institut for Mekanik og Produktion på Aarhus Universitet, hvor han har arbejdet med 3D-metalprint i mange år, og han har kigget på 3D-printerens specifikationer.

»Printeren kan printe med en opløsning på 0,2 millimeter. I forhold til, at det er en wire-metalprinter, har den en ganske udmærket opløsning og præcision,« siger han og fortsætter:

»Astronauterne ville nok kunne printe spændende mekanismer og værktøjer, de ville kunne bruge til noget. Men de vil ikke kunne lave præcisionsprint som for eksempel en møtrik og en bolt med fint gevind – det dur wire-teknologien ikke rigtig til.«

Reservedele kan printes på turen til Mars

I første omgang gælder det da også blot om at demonstrere, at teknologien virker i rummet. Men i fremtiden kan 3D-printere blive vigtige på rummissioner, fortæller Andreas Mogensen:

»Jeg kan sagtens forestille mig, at en metalprinter kan bruges på rumstationen i fremtiden, hvis teknologien viser sig at være så robust, at vi kan printe brugbare komponenter. Vi har ikke ret meget plads på rumstationen, men vi har en masse reservedele liggende, som vi kan bruge, hvis noget skulle gå i stykker. Det fylder meget, og her ville det være smart, hvis vi bare kunne 3D-printe efter behov i stedet.«

»På ISS er vi dog så tæt på Jorden, at vi ret hurtigt kan få et forsyningsfartøj op. Men det er en helt anden snak, når vi skal længere væk – til Månen og især til Mars. Der går 26 måneder imellem, at man kan sende et rumfartøj til Mars, så man kan ikke bare sende et fartøj afsted med reservedele, hvis noget skulle gå i stykker.«

Metaldråberne er vægtløse

For John Leif Jørgensen bliver det ikke bare spændende at se, om 3D-printeren fungerer som forventet på rumstationen. Han håber også, at den kan printe metalstrukturer af en mere ensartet kvalitet, end det er muligt på Jorden, fortæller han:

»På DTU Space laver vi meget udstyr til rummet. Vi er særligt berømte for at lave navigationsudstyr til rumfartøjer. Men vi har en udfordring med den struktur, der holder instrumentet i rummet. Den må ikke slå sig ret meget, for så virker instrumentet dårligere.«

»Med dette forsøg prøver vi at finde ud af, om en støttestruktur, der er 3D-printet i rummet, er mere homogen og slår sig mindre end en, der er fremstillet på Jorden. I teorien burde vi kunne få bedre kvalitet af metallet, når det bliver printet i den vægtløse tilstand i rummet.«

På rumstationen er alting vægtløst, og det gælder også de små dråber flydende metal, der smelter sammen til større objekter i 3D-printeren.

Det er ikke fordi, der ingen tyngdekraft er derude – det er den, der holder ISS i kredsløb om Jorden – men rumstationen og altid ombord er altid i frit fald mod Jorden og vejer ingenting. Metaldråberne bliver ikke trykket flade af tyngdekraften, som de gør på Jorden, så printet bliver mere ensartet i rummet.

Konvektion mangler i rummet

En anden fordel ved rumprint er den manglende konvektion – strømninger i luften forårsaget af forskellen i vægt på varm og kold luft. Her på Jorden vil hver dråbe af flydende stål, der lægges på konstruktionen, blive afkølet hurtigt ved konvektion. Luften omkring den varme dråbe varmes op og stiger til vejrs, idet varm luft er lettere end kold luft, og så kan ny, kold luft komme til og afkøle metaldråben.

Men i vægtløsheden i rummet er der ingen konvektion, for den varme luft vejer ikke mindre end den kolde luft. Det er en fordel, siger John Leif Jørgensen:

»I rummet får vi en meget langsommere og mere ensartet afkøling, og rent teoretisk burde det give et mere jævnt materiale. Nu prøver vi at få printet en struktur i rummet, og samtidig fremstiller vi nogle tilsvarende på Jorden, så vi kan sammenligne dem og se, om det passer.«

Christian Perti er enig i, at der kan være fordele ved at 3D-printe i rummet:

»Man kan godt forestille sig, at vægtløsheden og den manglende konvektion giver et pænere print. I vægtløsheden er det kun overfladespændingen og ikke vægten, der trækker det smeltede stål på plads på de tidligere lag,« siger han og fortsætter:

»Uden konvektion bliver materialet afkølet langsommere, så de interne spændinger bliver mindre. Men det kunne man i princippet også klare ved at printe i et varmekammer her på Jorden.«

Satellitter skal genbruges

3D-metalprint skal ikke bare bruges på rumstationen, men også andre steder i rummet. ESA satser på en cirkulær rumøkonomi, hvor satellitter i højere grad repareres, opgraderes eller genbruges ude i rummet, og her har 3D-print en vigtig rolle, fortæller John Leif Jørgensen:

»Vi får mere og mere rumskrot i form af udtjente satellitter og dele af rumraketter. Vi bliver nødt til fjerne rumskrottet, og så er spørgsmålet, hvad vi gør ved det. Vi kan sende det tilbage mod Jorden, så det brænder op i atmosfæren, men det ville være smartere at genbruge rumskrottet, siger han og fortsætter:

»Det er enormt dyrt at sende udstyr op i rummet, og det ville være et kæmpe skridt fremad, hvis vi kunne genbruge materialer, som allerede er derude. Så kunne man skære en gammel satellit eller en del af en raket op i småbidder og så printe nyt rumudstyr.«

Den form for genanvendelse af metaller og andre materialer, der allerede er sendt ud i rummet, er ikke lige om hjørnet. Det er en ingeniørmæssig udfordring af dimensioner at skille en satellit ad, så delene kan bruges igen. Men 3D-printeren på ISS er første lille skridt mod en fremtid, hvor der bliver ryddet op i rummet, og rumskrot bliver til nye satellitter.