Forschung Fertigung in der Umlaufbahn: Forscher entwickeln 3D-Drucker für die Schwerelosigkeit

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Der 3D-Druck wurde im Weltall bislang nur unter atmosphärischen Bedingungen erprobt, die denen auf der Erde ähneln. Was ist aber, wenn künftige Weltraumreisende notwendige Werkzeuge und Teile auf dem Mond oder dem Mars drucken wollen? Forscher aus Glasgow haben eine Antwort.

Forscher der University of Glasgow von der James Watt School of Engineering unter Leitung von Dr. Gilles Bailet haben ein Patent erlangt, das die additive Fertigung von Ersatzteilen oder Werkzeugen in Mikrogravitation und im Vakuum erlaubt. Wofür ist das interessant? Sollte die Menschheit in Zukunft ins Weltall aufbrechen, dann herrschen an den allermeisten Orten, die sich im Universum finden lassen, nicht dieselben atmosphärischen Bedingungen wie auf der guten, alten Erde. Beim 3D-Druck kann sich das zu einem Problem entwickeln.

Die Lösung der Herausforderung des 3D-Drucks von Objekten in Umgebungen mit geringer Schwerkraft könnte den Weg für orbitale Fabriken ebnen, meint Bailet. Dort ließen sich Teile und Komponenten produzieren, die in der Umlaufbahn zu neuartigen Geräten zusammengebaut werden könnten. Dabei ließe sich an Solarreflektoren denken, an Antennen und andere solche Dinge. 

Gleichzeitig müssten solche Dinge dank additiver Fertigung im All nicht auf der Erde gebaut und dann ins All geschossen werden – ergo müssten sie auch nicht die Kräfte aushalten, die mit dem Transport in den Weltraum verbunden sind. Gleichzeitig ist an Bord heutiger Raketen nicht viel Platz. Künftig könnte also ein 3D-Drucker und das dazugehörige Filament im All reichen, um bislang ungeahnte Strukturen zu errichten.

3D-Druck im All ist nicht gleich 3D-Druck im All

Additive Fertigung im Weltall ist zwar nichts Neues. Auf der ISS wurde etwa im vergangenen Jahr von ESA-Astronauten ein 3D-Drucker ausprobiert, der Metallteile druckt. Plastikdrucker waren zuvor bereits im Einsatz. Das Drucken in der Schwerelosigkeit bringt seine eigenen Herausforderungen mit sich; die Materialien lassen sich dabei nicht so einfach aufeinanderstapeln. Gleichzeitig müssen die Materialien, die vom Drucker in Form gebracht werden, auch in Schwerelosigkeit und im Vakuum funktionieren, denn herkömmliche Filamente brechen unter diesen Bedingungen häufig. „Das ist ein Problem, das gelöst werden muss, bevor sie im Weltraum zuverlässig eingesetzt werden können“, so Bailet.

Dr. Bailet und seine Kollegen erforschen auch Methoden zur Einbettung von Elektronik in die Materialien als Teil des Druckprozesses, was die Möglichkeit eröffnet, funktionale Komponenten für den Einsatz in Geräten, die im Weltraum entwickelt werden, sowie wiederverwertbare Raumfahrtsysteme zu schaffen. Um herauszufinden, ob der gebaute Demonstrator funktioniert, wurde er bei der 85. Parabelflugkampagne der Europäischen Weltraumorganisation ausprobiert und konnte das Team während mehr als 90 22-sekündiger Zeiträume der Schwerelosigkeit überzeugen.

Dr. Bailet dazu: „Wir haben die Technologie ausgiebig im Labor und jetzt in der Schwerelosigkeit getestet und sind zuversichtlich, dass sie die erwartete Leistung erbringt und damit die Möglichkeit eröffnet, Antennen- und andere Raumfahrzeugteile im Weltraum in 3D zu drucken.“

Chemische Fabriken für die Pharmazie

Selbst, wenn die Menschheit zeitnah nicht Richtung Mars aufbrechen sollte, könnte die additive Fertigung im Weltraum spannende Möglichkeiten eröffnen, etwa in der Pharmazie. „Im Weltraum gezüchtete Kristalle sind oft größer und besser geordnet als die auf der Erde hergestellten, sodass chemische Fabriken in der Umlaufbahn neue oder verbesserte Medikamente herstellen könnten, die dann auf die Erde zurückgebracht werden. Es wurde zum Beispiel vorgeschlagen, dass im Weltraum gezüchtetes Insulin neunmal wirksamer sein könnte, sodass Diabetiker es nur noch alle drei Tage injizieren müssten, statt wie heute oft üblich dreimal am Tag.“

Ist das nur Zukunftsmusik oder dank des Patents von Dr. Bailet gleich um die Ecke? Als Nächstes stünden wohl Demonstrator-Tests im Orbit an, und zwar außerhalb der regulierten Atmosphäre der ISS. Das Team sucht derzeit nach Sponsoren für dieses Vorhaben. (sb)

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