Um die Kolonisierung des Weltraums voranzutreiben, erforscht das Team den 3D-Druck in der Schwerelosigkeit

Die Forschung von Studenten und Lehrkräften der West Virginia University zur Funktionsweise des 3D-Drucks in einer schwerelosen Umgebung zielt darauf ab, die langfristige Erforschung und Besiedlung von Raumschiffen, dem Mond oder dem Mars zu unterstützen.

Längere Missionen im Weltraum erfordern die Herstellung wichtiger Materialien und Ausrüstung vor Ort, anstatt diese Gegenstände von der Erde zu transportieren. Mitglieder des Microgravity Research Teams sagten, sie glauben, dass der 3D-Druck der Weg sei, dies zu erreichen.

Die jüngsten Experimente des Teams konzentrierten sich darauf, wie sich eine schwerelose Mikrogravitationsumgebung auf den 3D-Druck mit Titandioxidschaum auswirkt, einem Material mit potenziellen Anwendungen, die von der UV-Blockierung bis zur Wasserreinigung reichen. ACS Angewandte Materialien und Schnittstellen veröffentlichten ihre Erkenntnisse.

„Ein Raumschiff kann nicht unendlich viele Ressourcen transportieren, also muss man das, was man hat, pflegen und recyceln, und der 3D-Druck ermöglicht dies“, sagte Hauptautor Jacob Cordonier, Doktorand in Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik am WVU Benjamin M. Statler College of Ingenieurwesen und Bodenschätze. „Sie können nur das drucken, was Sie brauchen, und so Abfall reduzieren. Unsere Studie untersuchte, ob ein 3D-gedruckter Titandioxidschaum vor ultravioletter Strahlung im Weltraum schützen und Wasser reinigen kann.“

„Die Forschung ermöglicht uns auch zu sehen, welche Rolle die Schwerkraft dabei spielt, wie der Schaum aus der 3D-Druckerdüse austritt und sich auf einem Substrat ausbreitet. Wir haben Unterschiede in der Filamentform beim Drucken in der Mikrogravitation im Vergleich zur Erdgravitation gesehen. Und durch die Änderung zusätzlicher Variablen.“ Im Druckprozess, etwa der Schreibgeschwindigkeit und dem Extrusionsdruck, können wir uns ein klareres Bild davon machen, wie all diese Parameter zusammenwirken, um die Form des Filaments abzustimmen.“

Zu Cordoniers Co-Autoren gehören aktuelle und ehemalige Studenten Kyleigh Anderson, Ronan Butts, Ross O’Hara, Renee Garneau und Nathanael Wimer. Zu der Arbeit trugen auch John Kuhlman, emeritierter Professor, und Konstantinos Sierros, außerordentlicher Professor und außerordentlicher Lehrstuhlinhaber für Forschung in der Abteilung für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik, bei.

Sierros beaufsichtigt seit 2016 die Titanoxidschaumstudien des Microgravity Research Teams. Die Arbeit findet jetzt in seinen WVU-Laboren statt, erforderte jedoch ursprünglich eine Fahrt mit einer Boeing 727. Dort druckten Studenten während 20-sekündiger Schwerelosigkeitsperioden Schaumlinien auf Glasobjektträger Der Jet befand sich am oberen Ende seiner Parabelflugbahn.

„Selbst der Transport eines Kilogramms Material im Weltraum ist teuer und die Lagerung ist begrenzt, daher untersuchen wir die sogenannte ‚In-situ-Ressourcennutzung‘“, sagte Sierros. „Wir wissen, dass der Mond Vorkommen von Mineralien enthält, die dem Titandioxid, das zur Herstellung unseres Schaums verwendet wird, sehr ähnlich sind. Die Idee ist also, dass man keine Ausrüstung von hier in den Weltraum transportieren muss, weil wir diese Ressourcen auf dem Mond abbauen und die Ausrüstung drucken können.“ das ist für eine Mission notwendig.“

Zur notwendigen Ausrüstung gehören Schutzschilde gegen ultraviolettes Licht, das eine Gefahr für Astronauten, Elektronik und andere Weltraumgüter darstellt.

„Auf der Erde blockiert unsere Atmosphäre einen erheblichen Teil des UV-Lichts – wenn auch nicht alles, weshalb wir einen Sonnenbrand bekommen“, sagte Cordonier. „Im Weltraum oder auf dem Mond gibt es nichts, was es mildern könnte, außer Ihrem Raumanzug oder der Beschichtung Ihres Raumschiffs oder Lebensraums.“

Um die Wirksamkeit von Titanoxidschaum beim Blockieren von UV-Wellen zu messen, „strahlten wir Licht aus, das von den ultravioletten Wellenlängen bis zum sichtbaren Lichtspektrum reicht“, erklärte er. „Wir haben gemessen, wie viel Licht durch die von uns bedruckte Titanoxidschaumfolie gelangte, wie viel zurückreflektiert wurde und wie viel von der Probe absorbiert wurde. Wir haben gezeigt, dass die Folie fast das gesamte UV-Licht, das auf die Probe trifft, blockiert und nur sehr wenig sichtbares Licht durchdringt.“ Selbst bei einer Dicke von nur 200 Mikrometern blockiert unser Material effektiv UV-Strahlung.“

Cordonier sagte, der Schaum zeige auch photokatalytische Eigenschaften, was bedeutet, dass er Licht nutzen kann, um chemische Reaktionen zu fördern, die beispielsweise Luft oder Wasser reinigen können.

Teammitglied Butts, ein Student von Wheeling, leitete Experimente zur Kontaktwinkelprüfung, um zu analysieren, wie sich Temperaturänderungen auf die Oberflächenenergie des Schaums auswirken. Butts nannte die Forschung „eine andere Art von Herausforderung, die Studenten nicht immer erleben“ und sagte, er schätze besonders die Engagement-Komponente.

„Unser Team kann über die Merit Badge University an der WVU viele junge Studenten wie die Scouts erreichen. Wir können ihnen zeigen, was wir hier tun, um zu sagen: ‚Hey, das könntest du auch tun.‘ ,‘“, sagte Butts.

Sierros zufolge „versuchen wir, die Forschung frühzeitig in die Karrieren der Studenten zu integrieren. Wir haben eine Untergruppe von Studenten, die sich ausschließlich mit Hardware beschäftigt und 3D-Drucker herstellt. Wir haben Studenten, die sich mit Materialentwicklung, Automatisierung und Datenanalyse befassen. Die Studenten, die.“ haben diese Arbeit mit Unterstützung von zwei sehr wettbewerbsfähigen NASA-Stipendien durchgeführt und sind am gesamten Forschungsprozess beteiligt. Sie haben von Experten begutachtete wissenschaftliche Artikel veröffentlicht und auf Konferenzen präsentiert.“

Garneau, eine studentische Forscherin aus Winchester, Virginia, sagte, ihr Traum sei es, dass ihr 3D-Drucker – speziell entwickelt, um kompakt und automatisiert zu sein – eine sechsmonatige Reise zur Internationalen Raumstation unternimmt. Dies würde eine umfassendere Überwachung des Druckvorgangs ermöglichen, als dies während des 20-sekündigen Freifalls möglich war.

„Das war eine erstaunliche Erfahrung“, sagte Garneau. „Es war das erste Mal, dass ich an einem Forschungsprojekt teilgenommen habe, das keine vorher festgelegten Ergebnisse hatte, wie ich es in forschungsbasierten Kursen erlebt habe. Es war wirklich lohnend, die Daten zu analysieren und zu Schlussfolgerungen zu kommen, die nicht auf festen Erwartungen beruhten.“ .

„Unser Ansatz kann dazu beitragen, die Weltraumforschung auszuweiten, indem er es Astronauten ermöglicht, Ressourcen zu nutzen, die ihnen bereits zur Verfügung stehen, ohne dass eine Nachschubmission erforderlich ist.“