فناوری ساخت افزایشی (Additive Manufacturing) یا پرینت سه بعدی، سالهاست که در این کره خاکی برای ساخت و تولید انواع قطعات و تجهیزات خانگی و صنعتی مورد استفاده قرار میگیرد. اما به کار گرفتن آن در شرایط خاص فضا، انقلابی بزرگ در ماموریتهای فضایی ایجاد کرده است؛ زیرا از این پس، فضانوردان به جای حمل تعداد زیادی از ابزارها و قطعاتی که شاید یک روز به درد بخورند، میتوانند قطعات لازم برای تعمیر و نگهداری از تجهیزات خود را در لحظهای که به آن احتیاج دارند (On-Demand) تولید کنند.
پرینت سه بعدی در فضا، بهویژه هنگام برنامهریزی برای ماموریتهای آینده به ماه و مریخ یک کارت برنده است. ارسال آذوقه یا قطعات جدید از زمین به فضا کاری نیست که در زمان کوتاه امکانپذیر باشد و از سوی دیگر، ظرفیت محمولههای فضایی نیز به شدت محدود است. بنابراین، وجود پرینترهای سه بعدی پیشرفته در ایستگاه فضایی بینالمللی (ISS)، پژوهشهای فضانوردان را وارد مرحله جدیدی خواهد کرد. در این مقاله، خواهیم دید که ناسا چگونه از ظرفیتهای این روش برای ارتقای سطح ماموریتهای فضایی خود استفاده میکند.
چرا پرینت سه بعدی برای ماموریتهای فضایی حیاتی است؟
در ماموریتهای فضایی، پرتاب هر یک گرم بار اضافی از زمین هزینههای سرسامآوری به همراه دارد. اما فناوری پرینت سه بعدی، با داشتن قابلیتهای منحصربهفرد، توانایی حل کردن دوتا از چالشبرانگیزترین مشکلات مربوط به ماموریتهای فضایی را در دست دارد:
- کاهش چشمگیر هزینههای ارسال بار به فضا: عدم نیاز به حمل قطعات یدکی سنگین، باعث کاهش وزن محموله و در نتیجه هزینههای پرتاب میشود.
- پایان بحران تامین قطعات در ماموریتهای دوردست: خراب شدن یک قطعه در ایستگاه فضایی نزدیک زمین قابل مدیریت است، اما همین اتفاق در راه مریخ بدون امکان ارسال سفینه پشتیبانی میتواند منجر به شکست ماموریت شود؛ از این رو ساخت آنی قطعه یدکی در فضا تنها راه جلوگیری از لغو ماموریت است.
تاریخچه و سیر تحول پرینت سه بعدی در فضا
در سال 2014، مرکز پروازهای فضایی مارشال ناسا با همکاری شرکت Redwire – که قبلا با نام Made in Space شناخته میشد، نخستین پرینتر سه بعدی را تحت عنوان پروژه 3D Printing in Zero-G به ایستگاه فضایی فرستادند. این دستگاه از دسته پرینترهای فیلامنتی بود که بعد از پرینت 10 نمونه آزمایشی و مقایسه آنها با نمونههای ساختهشده روی زمین، فضانوردان دریافتند شرایط گرانش صفر (Microgravity) هیچ تاثیر منفی بر فرآیند پرینت سه بعدی ندارد.
اما داستان نخستین ابزار پرینتشده در فضا بدون نام رابرت هیلان (Robert Hillan) کامل نمیشود. در سال ۲۰۱6، زمانی که ناسا مسابقه ملی Future Engineers را برای دانشآموزان برگزار کرد، رابرت که تنها یک دانشآموز دبیرستانی از ایالت آلاباما بود، طرح یک آچار بکس چندمنظوره را ارائه داد که با پرینت سه بعدی ساخته شده بود؛ ابزاری ارگونومیک که فضانوردان میتوانستند در شرایط بیوزنی آن را بهراحتی بچرخانند و استفاده کنند. طرح هیلان در میان صدها ایده برنده شد و ناسا فایل دیجیتال آن را به ایستگاه فضایی بینالمللی (ISS) ارسال کرد. با ایمیل و پرینت این آچار بکس در مدار، هیلان به اولین کسی در تاریخ تبدیل شد که طراحی او در فضا با پرینت سه بعدی ساخته شد.
جدول زیر گاهشمار مهمترین پروژههای پرینت سه بعدی در فضا را نشان میدهد:
| سال | رویداد | تجهیزات مورد استفاده | ماده اولیه | مجری | دستاورد |
| ۲۰۱۴ | پرینت اولین قطعه سه بعدی در فضا | پرینتر Made In Space 3D (اثبات مفهوم) | فیلامنت پلیمری ABS | ناسا /Made In Space | اثبات کارکرد فرآیند FDM در شرایط بیوزنی |
| ۲۰۱۶ | پرینت اولین ابزار در فضا که توسط یک دانشآموز طراحی شده بود. | AMF(Additive Manufacturing Facility) | فیلامنت پلیمری | ناسا / ASME / Made In Space | ارسال فایل طراحی از زمین و توانایی تولید بر اساس نیاز |
| ۲۰۱۷ به بعد | آغاز عملیات تجاری تسهیلات ساخت افزایشی (AMF) | پرینتر AMF | انواع فیلامنتهای پلیمری | Made In Space (Redwire کنونی) | ایجاد خدمات دائمی تولید برای مشتریان تجاری در فضا |
| ۲۰۱۹ | آزمایشهای یکپارچهسازی دستگاه بازیافت | دستگاه Refabricator | فیلامنت پلیمری بازیافتی | ناسا / Tethers Unlimited | اثبات امکان ایجاد چرخه بسته مواد (کاهش زباله) در گرانش صفر |
| ۲۰۲۴ | پرینت اولین قطعه فلزی در فضا | پرینتر سه بعدی فلزی (Metal 3D Printer) | استیل ضدزنگ (Stainless Steel) | آژانس فضایی اروپا (ESA) / ایرباس | جهش از پلاستیک به سمت آلیاژهای فلزی |
| ۲۰۲۶ به بعد | توسعه ساخت فلزی در مدار با هدف آمادهشدن برای ماموریت مریخ | نسل جدید پرینترهای فلزی | استیل ضدزنگ و سایر آلیاژها | ناسا / ESA / شرکای تجاری | گامی بلند برای رسیدن به اهداف ماموریتهای مریخ |
پروژههای واقعی ناسا و پرینت سه بعدی در فضا
اکنون سراغ چندتا از پروژههای ناسا میرویم که مفهوم استفاده از پرینت سه بعدی در فضا را به خوبی نمایش میدهند.
1. داستان آچار بکس فضایی (Ratchet Wrench)؛ ساخت اولین ابزار سفارشی از زمین به فضا!
یکی از خارعالعادهترین اتفاقات مربوط به پرینت سه بعدی زمانی رخ داد که فرمانده ایستگاه فضایی به یک آچار بکس مخصوص نیاز داشت. به جای انتظار برای ماموریت بعدی و ارسال آچار از زمین، تیم مهندسی روی زمین فایل سه بعدی دیجیتال آچار را آماده و آن را از طریق ایمیل به فاصله بیش از 320 کیلومتری بالای زمین مخابره کردند. پرینتر سه بعدی ایستگاه، فایل را دریافت و آچار بکس را همانجا پرینت کرد! این ماموریت ثابت کرد که میتوان ابزار را روی زمین طراحی و در فضا به صورت آنی تولید کرد.
۲. پروژه بازیافت زبالههای پلاستیکی و تبدیل آنها به ابزار جدید (Refabricator)
تامین ماده اولیه همواره یک چالش بزرگ در فضا است. پروژه Refabricator که توسط شرکت Tethers Unlimited توسعه یافت، مفهوم بازیافت در فضا را عملی کرد. این دستگاه، پلاستیکهای مصرفشده مانند کیسهها، فومهای بستهبندی محمولهها یا حتی یک آچار پرینتشده را که دیگر نیازی به آن نیست ذوب و به فیلامنت پرینت سه بعدی تبدیل میکند. اگرچه مشکلات مربوط به تشکیل پیوند در بیوزنی وجود دارد، اما به هر حال این دستگاه گامی در مسیر اقتصاد چرخهای مواد در مدار و کاهش زبالههای فضایی به حساب میآید.
3. پروژههای ساخت زیستگاه روی کره ماه و مریخ (Redwire Regolith & Habitat Challenge)
در پروژه Redwire Regolith Print، خاک شبیهسازیشده سطح ماه و مریخ که به نام Regolith شناخته میشود، به عنوان یک ماده اولیه پرینت سه بعدی برای ساختوساز عمرانی مورد استفاده قرار گرفت. هدف ناسا در برنامه Moon-to-Mars این است که با پرینت سه بعدیِ مستقیم خاک ماه و مریخ، سازههای بزرگ، پادهای فرود، پناهگاههای مقاوم در برابر تشعشعات و زیستگاه بسازد، بدون آنکه نیاز به حمل مصالح ساختمانی سنگین از زمین باشد.
پرینت سه بعدی با سایر مواد پیشرفته و زیستی در مدار
امکانات ساخت افزایشی در ایستگاه فضایی بینالمللی تنها به پلیمرها و فلزات محدود نمیشود. بیوزنی یک محیط فیزیکی منحصربهفرد را فراهم میکند که در آن رفتار مواد و سلولهای زنده بهکلی با روی زمین متفاوت است. این ویژگی باعث شده که ناسا و آژانسهای فضایی به سمت پرینت بافتهای زنده و تولید مواد بسیار پیشرفته در فضا حرکت کنند.
1. پرینت زیستی (Bioprinting)
بزرگترین چالش پرینت زیستی در زمین، گرانش است. در زمین، وقتی سلولهای زنده یا همان Bio-ink، به شکل لایهلایه روی هم چیده میشوند، گرانش زمین روی آنها اثر گذاشته و قبل از شکلگیری کامل، بافت دچار فروپاشی یا لهشدگی میشود. بهطوری که برای جلوگیری از این مشکل، دانشمندان از قالبها و داربستهای شیمیایی (Scaffolds) استفاده کنند که گاهی برای سلولها سمی هستند. اما نبود گرانش در فضا شاید بتواند این مشکل را حل کند!
در این راستا، ناسا با همکاری شرکت Redwire دستگاه پرینت زیستی BFF را به ایستگاه فضایی فرستاد. در بیوزنی فضا، نیازی به داربستهای نگهدارنده نیست؛ سلولهای زنده به آرامی در سه بعد کنار هم قرار میگیرند و شکل کامل خود را حفظ میکنند.
۲. تولید فیبرهای نوری پیشرفته (ZBLAN Optical Fibers)
تولید فیبر نوری شیشهای نوع ZBLAN روی زمین به دلیل گرانش با تبلور ناخواسته همراه است که منجر به ایجاد میکروحباب درون فیبر شده و کیفیت انتقال داده را کاهش میدهد.
اما آزمایشهای انجامشده توسط شرکتهای طرف قرارداد ناسا مانند FOMS و Mercury Systems، نشان داد که کشیدن یا پرینت کردن فیبرهای نوری در شرایط بیوزنی، ساختاری کاملا یکنواخت و بدون نقص بلوری به وجود خواهد آورد.
چشمانداز ۱۰ سال آینده از پرینت سه بعدی در فضا
اگر پیشرفتهای دهه گذشته در فضا، پاسخ مبرهنی به سوال «آیا بشر میتواند؟» بود، دهه پیشِ رو میتواند حامل پاسخهایی به «چقدر دورتر از زمین؟» و «تا چه حد عظیم؟» باشد. در این سناریوی جدید، بشر دیگر به ابعاد کوچک کپسولهای فضایی محدود نخواهد بود و شاید مهندسان بتوانند با گذر از چالش پرتاب، سازههای عظیمی مانند خرپاهای غولپیکر، آنتنهای پهنپیکر و پنلهای زیستگاهی را مستقیم در تاریکی و خلاء حاکم در فضا پرینت کنند.
این چشمانداز آینده، با شکلگیری یک «اقتصاد چرخهای بسته» تکمیل میشود؛ جایی که قطعات کهنه و معیوب بیدرنگ بازیافت و به ابزارهای کاربردی جدید تبدیل میشوند. در نهایت نیز، همین خودکفایی است که مسیر احداث پایگاهها و زیستگاههای دائمی را بر سطح کره ماه و مریخ هموار میسازد.
جمعبندی
فناوری پرینت سه بعدی در فضا بسیار فراتر از یک ابزار کمکی ساده یا یک آزمایش دانشگاهی است؛ این فناوری در واقع سنگبنای کاوشهای آینده بشر در عمق کیهان خواهد بود. همانطور که گفته شد، حذف هزینههای مربوط به تامین قطعات از زمین و دستیابی به خودکفایی کامل در شرایط بحرانی، با اعتماد به ساخت افزایشی در مدار امکانپذیر شده است. از پرینت یک آچار بکس ساده با دریافت ایمیل از روی زمین تا بازیافت زبالههای پلاستیکی، همگی نشان از آغاز یک انقلاب صنعتی جدید در بیوزنی دارند.
شاید برایتان سوال باشد!
آیا شرایط بیوزنی یا Microgravity مانع کار پرینترهای سه بعدی میشود؟
خیر؛ آزمایشها و مقایسه قطعات تولیدشده در ایستگاه فضایی با نمونههای زمینی نشان داده است که بیوزنی هیچ تاثیر منفی بر کیفیت نهایی قطعات پلاستیکی و فلزی ندارد.
اولین ابزاری که در فضا با پرینتر سه بعدی ساخته شد چه بود؟
یک آچار بکس (Ratchet Wrench) چندمنظوره بود که فایل دیجیتال آن از زمین به ایستگاه فضایی ایمیل و توسط یک پرینتر سه بعدی در فضا ساخته شد.
آیا از خاک کره ماه یا کره مریخ میتوان به عنوان مصالح ساختمانی استفاده کرد؟
بله؛ ناسا قصد دارد از رگولیت که همان خاک و گردوغبار موجود روی سطح ماه و مریخ است به عنوان ماده اولیه برای پرینت زیستگاه استفاده کند تا دیگر نیازی به ارسال محمولههای سنگین مصالح نباشد.
در بسیاری از پروژههای صنعتی، مسئله فقط ساخت یک قطعه نیست؛ زمان تولید، پیچیدگی هندسه، تیراژ، انتخاب متریال و امکان ساخت قطعاتی که با روشهای معمول دشوار یا پرهزینهاند هم اهمیت دارد.
اگر در حال توسعه یک محصول صنعتی، ساخت نمونه مهندسی یا تأمین قطعات یک پروژه هستید و روشهای متداول پاسخ مناسبی به نیازتان نمیدهند، پرینت سه بعدی میتواند گزینهای باشد که ارزش بررسی دارد. برای دریافت مشاوره و کسب اطلاعات بیشتر با کارشناسان ما در ماداتکنولوژی در ارتباط باشید.
بدون دیدگاه