Stellen Sie sich eine Astronautencrew vor, die zum Mars fliegt. Etwa 225 Millionen Kilometer von der Erde entfernt stellen sie fest, dass ihr Raumschiff einen gerissenen O-Ring hat. Doch was wäre, wenn sie sich nicht auf einen schwindenden Vorrat an Ersatzteilen verlassen müssten, sondern einfach jedes benötigte Teil bei Bedarf herstellen könnten?
Ein Forscherteam aus Berkeley unter der Leitung des Doktoranden Taylor Waddell hat möglicherweise einen großen Schritt getan, um diese Option Wirklichkeit werden zu lassen. Am 8. Juni schickten sie im Rahmen der Mission Virgin Galactic 07 ihre 3D-Drucktechnologie zum ersten Mal ins All.
Ihr Mikrogravitationsdrucker der nächsten Generation – genannt SpaceCAL – verbrachte an Bord des Raumflugzeugs VSS Unity 140 Sekunden im suborbitalen Raum. In dieser kurzen Zeitspanne druckte und bearbeitete er autonom insgesamt vier Testteile, darunter Space Shuttles und Benchy-Figuren aus einem flüssigen Kunststoff namens PEGDA.
„SpaceCAL hat bei früheren Tests an Bord von Parabelflügen unter Mikrogravitationsbedingungen gute Ergebnisse erzielt, aber es gab noch einiges zu beweisen“, sagte Waddell. „Diese neueste Mission … hat es uns ermöglicht, die Einsatzbereitschaft dieser 3D-Drucktechnologie für die Raumfahrt zu bestätigen.“
Er fügte hinzu: „Wir hoffen, dass es eines Tages zur Herstellung von allem Möglichen verwendet werden kann, von Teilen und Werkzeugen für Raumfahrzeuge bis hin zu neuen Kontaktlinsen und Zahnkronen für Besatzungsmitglieder.“
Der 3D-Druck, auch als additive Fertigung bekannt, hat sich seit seiner ersten Patentierung in den 1980er Jahren erheblich weiterentwickelt. Hayden Taylor, außerordentlicher Professor für Maschinenbau, leitete ein Team von Forschern der UC Berkeley und des Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL), das 2017 die Computed Axial Lithography (CAL)-Technologie erfand.
Diese neue Art der additiven Fertigung, bei der Licht verwendet wird, um feste Objekte aus einer viskosen Flüssigkeit zu formen, erweiterte die Palette der druckbaren Geometrien und erhöhte die Geschwindigkeit, mit der 3D-Teile gedruckt werden konnten, erheblich. Und sie funktionierte gut unter Mikrogravitationsbedingungen und öffnete die Tür für Anwendungen im Zusammenhang mit der Weltraumforschung.
Dank der CAL-Technologie kam Waddell auch nach Berkeley, um dort seinen Doktor in Maschinenbau zu machen. Als Student an der University of Wisconsin in Madison und Pathways Engineer bei der NASA war Waddell vom 3D-Druck fasziniert – von seiner scheinbar magischen Fähigkeit, eine Idee in eine physische Form zu verwandeln, bis hin zu seiner Erschwinglichkeit und Zugänglichkeit.
Als er von CAL erfuhr, nahm er Kontakt zu Taylor auf und landete bald darauf in Berkeley. Dort verbrachte er zahllose Stunden in Taylors Labor und arbeitete mit anderen studentischen Forschern an neuen Möglichkeiten, diese Technologie zum Wohle der Allgemeinheit einzusetzen.
Neue Höhen erreichen
CAL unterscheidet sich von anderen 3D-Drucktechnologien durch seine unglaubliche Geschwindigkeit – Teile können in nur 20 Sekunden erstellt werden – und seine Effizienz. Da Astronauten im Notfall und auf Anfrage schnell Teile drucken können, macht CAL es möglicherweise überflüssig, Tausende von Ersatzteilen auf Langzeitmissionen ins All mitzunehmen.
„Sie können diese Auflast reduzieren, die Missionen beschleunigen und das Risiko senken, indem Sie Fertigungstechnologien mitbringen“, sagte Waddell.
Darüber hinaus ermöglicht die einzigartige Fähigkeit von CAL, unter Mikrogravitationsbedingungen gut zu drucken, Ingenieuren, die Grenzen des 3D-Drucks aus dem Weltraum auszuloten.
„Mit CAL konnten wir erstmals auf diesen Zero-G-Flugzeugen zeigen,[ravity] Missionen und jetzt bei diesem Raumflug – dass wir in der Mikrogravitation Teile drucken können, die auf der Erde nicht möglich sind“, sagte Waddell.
Bisher hat CAL gezeigt, dass es erfolgreich mit mehr als 60 verschiedenen Materialien auf der Erde drucken kann, wie etwa Silikonen, Glasverbundstoffen und Biomaterialien. Laut Waddell könnte diese Vielseitigkeit sowohl für die Kabine als auch für die Besatzung von Nutzen sein.
„Wenn also Ihr Raumschiff eine Panne hat, können Sie O-Ringe, mechanische Halterungen oder sogar Werkzeuge für die Kabine drucken“, sagte er. „Aber CAL ist auch in der Lage, die Besatzung zu reparieren. Wir können Zahnersatz, Hauttransplantate oder Linsen drucken oder Dinge, die in der Notfallmedizin für Astronauten personalisiert sind, was bei diesen Missionen ebenfalls sehr wichtig ist.“
Eines Tages könnte CAL zum Drucken noch komplexerer Teile wie etwa menschlicher Organe verwendet werden. LLNL hat von der NASA eine Förderung erhalten, um diese Technologie auf der Internationalen Raumstation zu testen.
„Im Grunde werden sie Bioprinting auf der Raumstation durchführen“, sagte Waddell. „Und das langfristige Ziel ist, mit CAL Organe im Weltraum zu drucken und sie dann zur Erde zurückzubringen.“
Als nächstes hoffen Waddell und seine Kollegen, gemeinsam mit der NASA mit der Entwicklung und Validierung eines einzelnen Objekts beginnen zu können, das der Gesundheit und dem Wohlbefinden der Besatzung dienen könnte, etwa eine Zahnkrone für einen Astronauten oder ein Instrument zum Verschließen von chirurgischen Wunden.
„Diese Experimente zielen wirklich darauf ab, die Technologie zum Wohle aller voranzutreiben“, sagte Waddell. „Auch wenn sie für den Weltraum bestimmt sind, gibt es immer unzählige Möglichkeiten, wie sie den Menschen hier auf der Erde von Nutzen sein können.“
Es ist auch die Art von Technologie, die das Berkeley Space Center auf seinem neuen, derzeit im Bau befindlichen, 36 Hektar großen Campus entwickeln will. Das Berkeley Space Center wird ein Zentrum für Innovation und Unternehmertum sein und Technologien zusammenführen, die von der NASA und der UC Berkeley entwickelt und von der Privatwirtschaft kommerzialisiert werden.
„Stellen Sie sich einen Ort vor, an dem private Unternehmen Erfindungen wie die von Taylor Waddell übernehmen und es diesen wichtigen Entdeckungen ermöglichen können, aus dem Labor in die Öffentlichkeit vorzudringen“, sagte Darek DeFreece, emeritierter Regent der University of California und Leiter der Bemühungen der UC Berkeley, das Berkeley Space Center zu entwickeln. „Wir haben gejubelt, als wir den historischen Flug von Virgin Galactic 07 beobachtet haben.“
Eine gemeinschaftliche Anstrengung
In vielerlei Hinsicht war die Weltraummission vom 8. Juni der Höhepunkt jahrelanger Forschung aller Studenten in Hayden Taylors Nano-Fertigungslabor. Gemeinsam erweitern sie die Grenzen einer relativ neuen Technologie, um zu sehen, was möglich ist.
„Dieses Projekt basiert auf einem Team aus vielen, vielen Leuten“, sagte Waddell, darunter die studentischen Forscher Dillon Balk, Skyler Chan, Sean Chu, Brian Chung, Ameera Elgonemy, Jacob Gottesman, Anthony Moody, Jake Nickel, Dylan Potter, Austin Portinause, Anusri Sreenath und Audrey Young.
Er dankt seinem Berater außerdem für seine wichtige Unterstützung und die Möglichkeit, bei der Weiterentwicklung der CAL-Technologie eine aktive Rolle zu spielen.
„Hayden ist einer der besten PIs, die es gibt. Er überträgt mir die Verantwortung, zu entscheiden, wo ich diese Forschung vorantreiben möchte“, sagte Waddell. „Bei seinen letzten drei SpaceCAL-Missionen überließ er mir die Leitung, von der Entscheidung, wen wir einstellen und was wir erforschen wollen, bis hin zur Planung der gesamten Reise. Er lässt mich wirklich dort sein, wo ich am leidenschaftlichsten bin, und ich kann ihn als Ressource nutzen, um das zu verwirklichen.“
Virgin Galactic spielte eine entscheidende Rolle dabei, dieses Projekt auf die nächste Stufe zu heben. „Das Team von Virgin Galactic hat uns bei jedem Schritt geholfen, insbesondere während der Woche der Vorbereitungen für den Raketenstart“, sagte Waddell.
„Es gab viele hervorragende Ingenieure und leidenschaftliche Menschen, die unseren Erfolg sicherstellen wollten.“