Imaginez un équipage d’astronautes en route vers Mars. À environ 225 millions de kilomètres de la Terre, ils découvrent que leur vaisseau spatial présente un joint torique fissuré. Mais au lieu de compter sur un stock de pièces de rechange en baisse, que se passerait-il s’ils pouvaient simplement fabriquer n’importe quelle pièce dont ils ont besoin à la demande ?
Une équipe de chercheurs de Berkeley, dirigée par l’étudiant en doctorat Taylor Waddell, a peut-être fait un pas de géant vers la concrétisation de cette option. Le 8 juin, ils ont envoyé leur technologie d’impression 3D dans l’espace pour la première fois dans le cadre de la mission Virgin Galactic 07.
Leur imprimante à microgravité de nouvelle génération, baptisée SpaceCAL, a passé 140 secondes dans l’espace suborbital à bord du vaisseau spatial VSS Unity. Durant ce court laps de temps, elle a imprimé et post-traité de manière autonome un total de quatre pièces de test, dont des navettes spatiales et des figurines de banc à partir d’un plastique liquide appelé PEGDA.
« SpaceCAL a bien fonctionné dans des conditions de microgravité lors de tests antérieurs à bord de vols paraboliques, mais il lui restait encore beaucoup à prouver », a déclaré Waddell. « Cette dernière mission… nous a permis de valider la capacité de cette technologie d’impression 3D à être utilisée dans les voyages spatiaux. »
Il a ajouté : « Nous espérons qu’un jour, il pourra être utilisé pour fabriquer de tout, depuis des pièces et des outils pour les vaisseaux spatiaux jusqu’à de nouvelles lentilles de contact et des couronnes dentaires pour les membres de l’équipage. »
L’impression 3D, également connue sous le nom de fabrication additive, a considérablement évolué depuis son premier brevet dans les années 1980. Hayden Taylor, professeur associé de génie mécanique, a dirigé une équipe de chercheurs de l’UC Berkeley et du Lawrence Livermore National Laboratory (LLNL) qui ont inventé la technologie de lithographie axiale calculée (CAL) en 2017.
Ce nouveau type de fabrication additive, qui utilise la lumière pour façonner des objets solides à partir d’un liquide visqueux, a élargi la gamme des géométries imprimables et a considérablement augmenté la vitesse d’impression des pièces en 3D. Et il a bien fonctionné dans des conditions de microgravité, ouvrant la voie à des applications liées à l’exploration spatiale.
C’est également la technologie CAL qui a amené Waddell à Berkeley pour préparer son doctorat en génie mécanique. En tant qu’étudiant de premier cycle à l’Université du Wisconsin à Madison et ingénieur Pathways à la NASA, Waddell a été fasciné par l’impression 3D, de sa capacité apparemment magique à transformer une idée en une forme physique, à son prix abordable et à son accessibilité.
Après avoir entendu parler de CAL, il a contacté Taylor et s’est rapidement retrouvé à Berkeley. Là, il a passé d’innombrables heures dans le laboratoire de Taylor, travaillant avec d’autres étudiants chercheurs sur de nouvelles façons d’exploiter cette technologie pour le bien commun.
Atteindre de nouveaux sommets
CAL se distingue des autres technologies d’impression 3D par sa rapidité incroyable (création de pièces en seulement 20 secondes) et son efficacité. En permettant aux astronautes d’imprimer des pièces rapidement en cas d’urgence et à la demande, CAL élimine potentiellement la nécessité d’emporter des milliers de pièces de rechange lors de missions spatiales de longue durée.
« Vous pouvez réduire cette masse, accélérer ces missions et réduire les risques en apportant avec vous des technologies de fabrication », a déclaré Waddell.
De plus, la capacité unique du CAL à imprimer efficacement dans des conditions de microgravité permet aux ingénieurs d’explorer les limites de l’impression 3D depuis l’espace.
« Avec CAL, nous avons pu démontrer, d’abord sur ces avions en apesanteur,[ravity] « Grâce aux missions spatiales et désormais à ce vol spatial, nous pouvons imprimer des pièces en microgravité, ce qui n’est pas possible sur Terre », a déclaré Waddell.
À ce jour, CAL a démontré qu’il était possible d’imprimer avec succès sur Terre plus de 60 matériaux différents, tels que le silicium, les composites de verre et les biomatériaux. Selon Waddell, cette polyvalence pourrait s’avérer utile aussi bien pour la cabine que pour l’équipage.
« Avec la cabine, si votre vaisseau spatial tombe en panne, vous pouvez imprimer des joints toriques ou des supports mécaniques ou même des outils », a-t-il déclaré. « Mais CAL est également capable de réparer l’équipage. Nous pouvons imprimer des prothèses dentaires, des greffes de peau ou des lentilles, ou des objets personnalisés en médecine d’urgence pour les astronautes, ce qui est également très important dans ces missions. »
Un jour, la technologie CAL pourrait être utilisée pour imprimer des pièces encore plus sophistiquées, comme des organes humains. LLNL a reçu une subvention de la NASA pour tester cette technologie à bord de la Station spatiale internationale.
« Ils vont essentiellement faire de la bio-impression à bord de la station spatiale », a déclaré Waddell. « Et l’objectif à long terme est d’imprimer des organes dans l’espace avec CAL, puis de les ramener sur Terre. »
Ensuite, Waddell et ses collègues espèrent commencer à travailler avec la NASA sur le développement et la validation d’un objet unique qui pourrait favoriser la santé et le bien-être de l’équipage, comme une couronne dentaire pour un astronaute ou un outil de fermeture de plaie chirurgicale.
« Ces expériences ont vraiment pour objectif de faire progresser la technologie pour le bien de tous », a déclaré Waddell. « Même si elles sont destinées à l’espace, elles peuvent toujours profiter aux gens ici sur Terre de multiples façons. »
C’est également le type de technologie que le Berkeley Space Center envisage de développer sur son nouveau campus de 36 acres actuellement en cours de construction. Le Berkeley Space Center sera un foyer d’innovation et d’entrepreneuriat, réunissant des technologies développées par la NASA et l’UC Berkeley, et commercialisées par l’industrie privée.
« Imaginez un endroit où des entreprises privées pourraient prendre des inventions comme celles créées par Taylor Waddell et permettre à ces découvertes importantes de sortir du laboratoire et d’entrer dans le domaine public », a déclaré Darek DeFreece, régent émérite de l’Université de Californie et responsable des efforts de l’UC Berkeley pour développer le Berkeley Space Center. « Nous étions en liesse en regardant le vol historique de Virgin Galactic 07. »
Un effort collaboratif
À bien des égards, la mission spatiale du 8 juin a été l’aboutissement d’années de recherche menées par tous les étudiants du laboratoire de fabrication à l’échelle nanométrique de Hayden Taylor. Ensemble, ils repoussent les limites d’une technologie relativement nouvelle pour voir ce qui est possible.
« Ce projet repose sur une équipe composée de très nombreuses personnes », a déclaré Waddell, dont les étudiants chercheurs Dillon Balk, Skyler Chan, Sean Chu, Brian Chung, Ameera Elgonemy, Jacob Gottesman, Anthony Moody, Jake Nickel, Dylan Potter, Austin Portinause, Anusri Sreenath et Audrey Young.
Il remercie également son conseiller pour son soutien essentiel et pour l’opportunité de jouer un rôle actif dans l’évolution de la technologie CAL.
« Hayden est l’un des meilleurs chercheurs principaux. Il me donne la responsabilité de choisir où je veux faire avancer cette recherche », a déclaré Waddell. « Lors de ses trois dernières missions SpaceCAL, il m’a laissé les diriger, depuis le choix des personnes à embaucher et des recherches à effectuer jusqu’à la planification de l’ensemble du voyage. Il me laisse vraiment aller là où je suis le plus passionné et me sert de ressource pour y parvenir. »
Virgin Galactic a joué un rôle essentiel dans la progression de ce projet. « L’équipe de Virgin Galactic nous a aidés à chaque étape du processus, en particulier pendant la semaine de préparation du lancement de la fusée », a déclaré Waddell.
« Il y avait beaucoup d’excellents ingénieurs et de passionnés qui voulaient s’assurer que nous réussissions. »