Mit 3D-Druckern in ferne Galaxien: Die Abenteuer des gedruckten Raumschiffs
Wenn in 400 Kilometern Höhe etwas flöten geht, ist es – weg. Die Erfahrung machte am 18. November 2008 Heidemarie Stefanyshyn-Piper: Sie war zu dem Zeitpunkt Besatzungsmitglied auf der Internationalen Raumstation(öffnet im neuen Fenster) (International Space Station, ISS) und gerade beim Außenbordeinsatz. Aus der Schmierpistole in ihrer Werkzeugtasche war Fett ausgetreten. Das wollte Stefanyshyn-Piper von ihrem Handschuh entfernen. Da entschwand die Tasche ins All. "Oh, super" , kommentierte Stefanyshyn-Piper.
Künftig sollen Missgeschicke dieser Art auf der ISS kein Problem mehr darstellen: Die US-Raumfahrtbehörde National Aeronautics And Space Administration(öffnet im neuen Fenster) (Nasa) will einen 3D-Drucker auf die Station schicken. Damit sollen die Astronauten in der Lage sein, verlorenes Werkzeug oder kaputte Teile selbst herzustellen: Sie füttern den Drucker mit einer 3D-Datei des gewünschten Gegenstandes und halten diesen kurz darauf in Händen.
Doch der 3D-Drucker soll nicht nur als Baumarktersatz auf Weltraumflügen fungieren: Ohne 3D-Druck wird in der Raumfahrt künftig gar nichts mehr gehen. Wenn Menschen zu Asteroiden oder zum Mars flögen, dann werde eine solche Technik benötigt, um Volumen und Gewicht der Ladung möglichst gering zu halten, erklärte Nasa-Direktor Charles Bolden(öffnet im neuen Fenster) . Ganze Häuser sollen Astronauten in Zukunft auf einem anderen Himmelskörper mit einem 3D-Drucker aufbauen, Roboter sollen im All sogar Raumschiffe drucken. Wen wundert es da noch, dass die Nasa ihre Astronauten künftig auf langen Reisen mit gedruckter Pizza bei Laune halten möchte?
Plastik schmelzen in 400 Kilometern Höhe
Die extraterrestrische 3D-Druckerei wird konsequenterweise am Schauplatz von Stefanyshyn-Pipers "Oh, super" -Erlebnis beginnen: Im Juni 2014 wird die Raumfähre Dragon einen 3D-Drucker zur ISS befördern . Entwickelt wurde das Gerät von dem kalifornischen Unternehmen Made in Space(öffnet im neuen Fenster) , einer Ausgründung der Singularity University .
Ausgangspunkt war ein herkömmlicher Desktop-3D-Drucker wie ein Replicator oder ein Ultimaker – also ein Drucker, der aus einem Kunststoffdraht per Schmelzschichtung(öffnet im neuen Fenster) (Fused Deposition Modeling, FDM) Gegenstände aufbaut. Doch die Schwerelosigkeit stellt den 3D-Druck vor ganz besondere Herausforderungen.
Drucken ohne Schwerkraft
Made in Space hat das Gerät für den Einsatz im Weltraum angepasst. Dazu gehörte unter anderem, ihm ein Gehäuse aus Metall zu verpassen. Vorn hat es ein Glasfenster, damit die Astronauten beim Drucken zusehen können. Damit allein sei es aber nicht getan gewesen: "Wir haben ein System entwickelt, das unabhängig von dem Gravitationsfeld, in dem es druckt, funktioniert" , erklärt Marketingchef Grant Lowers Golem.de in einem per E-Mail geführten Interview. Das musste das Unternehmen auch bei Schwerelosigkeit testen.
Auf der Erde hält die Schwerkraft die Teile – vor allem lose wie Antriebsriemen – auf ihrem Platz. Auf der ISS hingegen fällt die Gravitation weitgehend weg. Dennoch müssen die Teile in allen drei Dimensionen festsitzen. "Man muss sicherstellen, dass Teile sich nur dann bewegen, wenn es sein muss, und dann halten, wenn es nötig ist" , erzählte Made-in-Space-Technikchef Jason Dunn dem US-Techniknachrichtenangebot Giga Om(öffnet im neuen Fenster) . "Wenn bei einem 3D-Drucker irgendetwas nur einen Bruchteil eines Millimeters Spiel hat, kann das den ganzen Druck ruinieren."
30 Sekunden schwerelos
Die Kalifornier haben ihren Drucker in hunderten Parabelflügen getestet und sind sich sicher, dass er auf der ISS funktionieren wird. Obwohl die Perioden der Schwerelosigkeit bei einem solchen Flug nur relativ kurz sind – etwa 20 bis 30 Sekunden -, habe das für die Tests ausgereicht. "Nach jedem Flug hatten Drucker und Drucke 10 bis 15 Minuten Schwerelosigkeit ausgehalten. Das ermöglichte es uns, eine reichliche Menge an Druckproben zu untersuchen" , sagt Lowers.
Ein 3D-Drucker auf der ISS oder im Stauraum einer interplanetarischen Mission hat durchaus seine Berechtigung: Statt eines Sammelsuriums an Ersatzteilen und Komponenten bekommen die Raumfahrer Material und 3D-Drucker mit, um das Material in eine beliebige Form zu bringen. Auf der ISS soll die Besatzung in erster Linie Teile drucken, die im Laufe der Zeit auf der Station kaputtgehen, wie Halterungen, Schrauben, Sechskantmuttern oder Federn, oder solche, die gerade fehlen, wie etwa ein Behälter zum Aufbewahren oder für ein Experiment. Sie könnten damit aber auch Cubesats(öffnet im neuen Fenster) , kleine würfelförmige Satelliten, bauen, die sie dann ins All entlassen.
Mit dem Drucker könnten die Astronauten schätzungsweise 30 Prozent der Kleinteile und Werkzeuge, die sie auf der ISS brauchen, herstellen, sagt Lowers. "Das wird das erste Mal sein, dass im Weltraum etwas hergestellt wird." Aber die Pläne der Raumfahrtagenturen gehen weit über die Herstellung von ein paar Ersatzteilen hinaus.
Iglus drucken für die Mondmenschen
Werden vor Ort Teile gedruckt, müssen sie nicht mitgenommen werden. Warum nicht also gleich – statt alle Teile auf den Mond zu schaffen – eine Basis dort aus dem dort vorhandenen Gestein drucken(öffnet im neuen Fenster) ?, hat sich die Europäische Raumfahrtagentur(öffnet im neuen Fenster) (European Space Agency, Esa) gedacht. Die nötige Technik gibt es, und das renommierte britische Architekturbüro Foster hat flugs einen Entwurf für so eine Mondstation(öffnet im neuen Fenster) erstellt.
Die ersten Mondmenschen sollen, so der Plan, in Iglus leben, deren Mauern aus Mondsand aufgebaut werden. Den Drucker gibt es schon: D-Shape(öffnet im neuen Fenster) heißt das Gerät, das der Italiener Enrico Dini entwickelt hat, und er ist deutlich größer als der, den die Raumfahrer im kommenden Jahr auf die ISS bekommen: D-Shape besteht aus vier senkrechten Streben, die einen etwa 6 Meter großen Rahmen bilden. Der Druckkopf ist an den Streben aufgehängt.
Sand + Bindemittel = Mauer
D-Shape baut dreidimensionale Strukturen aus Sandstein. Dazu wird Sand 0,5 bis 1 Zentimeter aufgebracht und anschließend mit einem anorganischen Bindemittel, das aus mehreren Düsen versprüht wird, verklebt. Auf diese Weise hat Dini schon ein Trullo(öffnet im neuen Fenster) , ein traditionelles italienisches Rundhaus, gebaut.
Auf dem Mond soll D-Shape Regolith verwenden, um Mauern zu bauen, die Schutz vor Mikrometeoriten und Strahlung bieten sollen. Das Konzept der britischen Architekten sieht vor, dass die Astronauten den Innenraum, der aus einer aufblasbaren Kuppel und einem daran angesetzten Zylinder besteht, von der Erde mit zum Mond nehmen. Der 3D-Drucker errichtet darum eine Mauer. Diese wird nicht massiv sein, sondern eine hohle, geschlossene Zellstruktur haben, die bei geringem Gewicht hohe Stabilität bietet. Einen Prototyp hat das Londoner Architektenbüro schon gebaut: einen 1,5 Tonnen schweren Block. Er besteht aus Basaltgestein von einem Vulkan in Mittelitalien, das dem Mondgestein stark ähnelt.
3D-Drucken mit Regolith
Auch Amit Bandyopadhyay von der Universität des US-Bundesstaates Washington in Seattle baut im Auftrag der Nasa Gegenstände aus Mondgestein mit einem 3D-Druck-Verfahren auf. Er nutzt aber kein flüssiges Bindemittel, um den Regolith zu verkleben – er verschmilzt ihn mit einem Laser. Laser Engineered Net Shaping(öffnet im neuen Fenster) heißt das Verfahren, das dem Lasersintern(öffnet im neuen Fenster) ähnelt.
Bandyopadhyays Fazit: Das funktioniert. Mondsand besteht aus Aluminium, Eisen, Kalzium, Magnesiumoxiden und Silizium. Der könne, so fand sein Team heraus, mit einem Laser geschmolzen werden. Beim Erkalten bildeten sich nanokristalline oder amorphe Strukturen. Für die Tests hatte die Nasa den Forschern imitiertes Mondsediment zur Verfügung gestellt, aus dem diese verschiedene Gegenstände aufbauten.
Gegenstände aus Sand auf dem Mond aufzubauen, ist ungewöhnlich, aber letztlich nur einen logischen Schritt von einem irdischen Projekt wie dem Landscape House des niederländischen Architekten Janjaap Ruijssenaars entfernt. Nach Science-Fiction hingegen klingen die Pläne der US-Unternehmen Tethers Unlimited oder Deep Space Industries.
Raumschiffe drucken im All
Das US-Unternehmen Tethers Unlimited(öffnet im neuen Fenster) entwickelt im Auftrag der Nasa ein Konzept, Roboter im Orbit Raumschiffe aufbauen zu lassen. Spider Fab und Trusselator heißen die autonomen Weltraum-3D-Drucker(öffnet im neuen Fenster) . Die Idee dahinter ist folgende: Satelliten oder Raumsonden können nur so groß sein, wie das Volumen des Transportvehikels, das sie ins All bringt, es zulässt. Vor allem die Größe der Extremitäten – Antennen, Reflektoren, Sonnensegel oder Masten für Sensoren – ist beschränkt. Werden diese hingegen erst im Orbit hergestellt und angebaut, könnten sie viel größer werden: Sie sollen sich nicht mehr im Bereich von Metern, sondern von Kilometern bewegen.
Der Spider Fab soll ein vierarmiger Roboter werden, der einer Spinne ähnelt. Er verfügt über einen Extruder, der aus einem Polymer oder einem Faserverbundstoff Träger fertigt. Der Spider Fab setzt sie zu Gitterstrukturen zusammen und setzt darauf Solarmodule oder andere Komponenten. Der Trusselator hingen ist dazu gedacht, Gitterträger aufzubauen.
Asteroidenfabrik
Noch ehrgeizigere Pläne verfolgt das US-Unternehmen Deep Space Industries(öffnet im neuen Fenster) (DSI): Es will auf erdnahen Asteroiden nach Rohstoffen schürfen: nach Wasser, das aufgespaltet und so in Treibstoff für Raumfahrzeuge umgewandelt werden soll, aber auch nach Metallen. Daraus will DSI vor Ort Raumschiffe bauen.
Microgravity Foundry (MGF) heißt der 3D-Drucker, den DSI entwickelt. Der nutzt eine selbst entwickelte 3D-Druck-Technik, die auch bei Schwerelosigkeit funktioniert. Der MGF soll das Material, das auf dem Asteroiden gewonnen wird, mit einem Laser verschmelzen, um "Bauteile, Verbindungselemente, Zahnräder und andere Komponenten zu produzieren" . Diese könnten als Ersatzteile für beschädigte Raumfahrzeuge dienen. Daraus sollen aber auch ganz neue Raumfahrzeuge konstruiert werden.
Anfang der 2020er Jahre will DSI mit dem Asteroiden-Bergbau und Weltraum-3D-Druck beginnen. Was im Weltraum noch Fiktion ist, ist auf der Erde schon Realität: Raketenteile werden heute schon im 3D-Drucker hergestellt.
Das SLS-Triebwerk wird gedruckt
Am 22. August 2013 wird es wieder einmal laut im Marshall Space Flight Center: Auf ihrem Gelände in Huntsville im US-Bundesstaat Alabama testet die Nasa ein Triebwerk(öffnet im neuen Fenster) für die Trägerrakete Space Launch System(öffnet im neuen Fenster) (SLS), mit der Menschen künftig zu Missionen in den Deep Space starten sollen. Über 3.000 Grad heiß ist der Feuerstrahl, der aus der Düse schießt. Er generiert einen Schub von knapp 90.000 Newton.
Das Besondere an dem Triebwerk ist: Die Einspritzdüse für den Raketentreibstoff ist nicht auf herkömmliche Weise hergestellt, sondern per 3D-Druck. Die Nasa testet seit einiger Zeit den Einsatz von Rapid-Manufacturing-Verfahren . Außer der Einspritzdüse wird auch die Abdeckung für eine Austrittsöffnung am J-2X-Raketentriebwerk so gefertigt.
Die Nasa setzt beim Raketenbau auf das selektive Laserschmelzen(öffnet im neuen Fenster) (Selective Laser Melting, SLM). Dabei wird ein Pulver schichtweise auf eine Arbeitsplattform aufgetragen. Ein Laser fährt die Formen ab und schmilzt das Material, wodurch es sich mit der darunterliegenden Schicht verbindet. Auf diese Weise können Metalle, Keramik oder Kunststoffe verarbeitet werden. So ließen sich die Komponenten schneller und damit günstiger fertigen. Außerdem böten sie mehr Sicherheit: Da die Teile nicht geschweißt, sondern in einem Stück gefertigt werden, sollen sie von der Struktur her stärker sein.
3D-Druck-Teile im Test
Seit diesem Frühjahr werden die Teile 3D-Druck-Praxistests unterzogen – allerdings nicht in der Originalgröße, sondern in verkleinertem Maßstab: Den Anfang machte im April die Abdeckung für das Raketentriebwerk(öffnet im neuen Fenster) . Im Juli und August folgten Tests mit den Einspritzdüsen. Aufgebaut hatte sie der Dienstleister Directed Manufacturing(öffnet im neuen Fenster) (DMI).
Die Tests verliefen zufriedenstellend: "Wir haben von der Leistung her keinen Unterschied zwischen den 3D-gedruckten und den auf herkömmliche Art und Weise hergestellten Einspritzdüsen festgestellt" , resümiert Nasa-Technikerin Sandra Elam Greene(öffnet im neuen Fenster) .
Günstiger und schneller
Einen Unterschied gibt es aber im Preis: Die per 3D-Druck-Verfahren aufgebauten Teile kosteten etwa halb so viel wie jene, die auf herkömmliche Art und Weise produziert seien, erklärte die Nasa kürzlich(öffnet im neuen Fenster) . Früher bestand eine solche Düse aus mehr als 100 Einzelteilen, die gedruckte nur noch aus zwei. Sie zu fertigen, dauere weniger als einen Monat – früher habe dafür auch mal ein halbes Jahr ins Land gehen können, berichtet das US-Wissenschaftsmagazin Popular Science(öffnet im neuen Fenster) .
Das kurioseste 3D-Druck-Projekt der Nasa dürfte indes die Idee sein, dass die Astronauten in Zukunft ihre Mahlzeiten drucken.
Schichtweise die Pizza aufbauen
Die gegenwärtige Nahrung für die Raumfahrer(öffnet im neuen Fenster) sei für lange Reisen in den sogenannten Deep Space nicht geeignet, erklärt die Behörde(öffnet im neuen Fenster) : Weder sei sie nahrhaft genug, noch sei sie lange genug haltbar für eine unter Umständen mehrjährige Mission.
Die Nasa will Verfahren entwickeln, die es ermöglichen, Mahlzeiten zuzubereiten, die nahrhaft und akzeptabel sind und eine gewisse Vielfalt ermöglichen. Gleichzeitig soll das Herstellen der Mahlzeiten aber wenige Ressourcen und wenig Arbeitszeit für die Mannschaft in Anspruch nehmen. Tiefkühlkost etwa kommt wegen des Energieaufwandes nicht infrage.
Pulverisierte Nährstoffe
Die Nahrung soll deshalb in Form von Pulvern oder Ölen in Kartuschen abgefüllt werden. Diese werden dann in einen 3D-Drucker eingesetzt und bilden die Rohstoffe für das Mahl. "Lange Raumflüge erfordern eine Lagerfähigkeit von 15 Jahren und länger" , sagte Anjan Contractor dem US-Onlinemagazin Quartz(öffnet im neuen Fenster) . Contractor arbeitet beim Unternehmen Systems and Materials Research Corporation(öffnet im neuen Fenster) (SMRC) in Austin im US-Bundesstaat Texas, das den Essensdrucker für die Nasa entwickeln(öffnet im neuen Fenster) soll.
SMRC will deshalb alles in Pulver verwandeln: Kohlenhydrate, Proteine, Mikro- und Makronährstoffe. "Wir nehmen die Feuchtigkeit heraus, und in dieser Form halten sie sich bestimmt 30 Jahre." SMRC-Techniker Contractor hat einen 3D-Drucker gebaut, der Schokolade auf einem Keks verteilt. Jetzt arbeitet er an einem, der Pizza machen soll – die eignet sich sehr gut für eine 3D-Zubereitung, da sie schichtweise belegt wird.
Drucken und backen
Das Konzept sieht in etwa so aus: Zuerst wird eine Lage Teig auf einer Arbeitsplattform aufgebracht. Die ist – ähnlich wie bei einem Druck, der ABS verarbeitet – beheizt, so dass die Pizza beim Drucken auch gleich gebacken wird. Danach kommt die Tomatensauce, die als Pulver gespeichert ist und dann mit Öl und Wasser gemischt wird. Den krönenden Abschluss bildet eine nahrhafte Proteinschicht. Wem läuft da nicht das Wasser im Mund zusammen?
Vorteil des Essendruckens sei, dass jeder eine personalisierte Mahlzeit erhalten könne, sagte Contractor: Mann oder Frau, gesund oder krank – jeder brauche etwas anderes zu essen. "Wenn man die Bedürfnisse in einen 3D-Drucker programmieren kann, kann der genau die Nährstoffe drucken, die die jeweilige Person benötigt." Der Drucker wird übrigens keine Neuentwicklung: Er soll auf dem Open-Source-3D-Drucker Mendel(öffnet im neuen Fenster) basieren, einer Weiterentwicklung des Reprap .