8 Gründe, warum der 3D-Druck für die Weltraumforschung eingesetzt wird
Seit jeher träumt die Menschheit davon, den Weltraum zu erobern, und jeder technologische Fortschritt bringt uns diesem Ziel ein Stückchen näher. Unter diesen Innovationen hat sich der 3D-Druck in den letzten Jahren als wichtiger Trumpf für die Raumfahrtindustrie etabliert. Doch entgegen der landläufigen Meinung ist der Einsatz in diesem Bereich nicht neu. Seit Jahren wird daran gearbeitet, den 3D-Druck für die Weltraumforschung zu nutzen.
2014 wurde zum ersten Mal ein 3D-Drucker in den Weltraum geschickt, was einen Wendepunkt in der Nutzung dieser Technologie in extremen Umgebungen darstellte. Seitdem haben sich die Anwendungsmöglichkeiten stetig weiterentwickelt. Weit über kleine Reparaturen und einfache Experimente in der Schwerelosigkeit hinaus wird die additive Fertigung nun bereits in die Konstruktion von Raketen integriert und eröffnet neue Möglichkeiten, insbesondere die Herstellung vor Ort. Aber warum sollte man den 3D-Druck für die Weltraumforschung einsetzen? Wir nennen Ihnen acht Gründe!
Neutron ist eine für die teilweise Wiederverwendung ausgelegte Trägerrakete für den Weltraum, die von dem Unternehmen Rocket Lab entwickelt wurde. (Bild: Rocket Lab)
Auf dem Weg in den Weltraum
#1: Optimierung von Raketenkomponenten
Wenn es um die Weltraumforschung geht, zählt jedes Gramm. Je leichter eine Rakete oder ein Satellit ist, desto kostengünstiger und effizienter wird der Start. Wenn die Flugkörper leichter sind, wird weniger Treibstoff benötigt und es wird Platz geschaffen, um mehr nützliche Ausrüstung an Bord zu nehmen. Um dies zu erreichen, bietet der 3D-Druck eine interessante Lösung: Er ermöglicht es, maßgeschneiderte Teile zu entwerfen, die so optimiert sind, dass sie sowohl stabil als auch leicht sind. Mithilfe verschiedener Designtechniken (DfAM), bei denen vor allem die topologische Optimierung zum Einsatz kommt, können komplexe Formen geschaffen werden, die mit herkömmlichen Methoden nicht möglich sind und gleichzeitig eine hervorragende Festigkeit aufweisen. Ein konkretes Beispiel sind Kühlkanäle von Raketentriebwerken. Diese kleinen Kanäle dienen dazu, die starke Hitze um die Brennkammer herum abzuleiten. Mithilfe des 3D-Drucks können sie direkt in die Teile integriert werden, was mit der herkömmlichen Bearbeitung oder dem Spritzguss, die oft zu teuer und umständlich sind, sehr schwierig oder sogar unmöglich ist.
#2: Einsatz neuer Materialien zur Leistungssteigerung
In der Raumfahrt müssen die Materialien extremen Bedingungen standhalten: hohe Temperaturen, Strahlung, Druckschwankungen, Temperaturschocks usw. Die Materialien müssen in der Lage sein, den Anforderungen der Raumfahrt gerecht zu werden. Der 3D-Druck ermöglicht heute die Verwendung einer Vielzahl fortschrittlicher Materialien, die speziell an diese Belastungen angepasst sind. Dazu gehören Metalllegierungen wie Titan, Aluminium oder Inconel, die für ihr geringes Gewicht und ihre Hitzebeständigkeit bekannt sind. Faserverstärkte Verbundwerkstoffe wiederum bieten einen hervorragenden Kompromiss zwischen Robustheit, Flexibilität und geringem Gewicht. Diese Materialien entfalten ihr volles Potential jedoch erst in Verbindung mit den richtigen Druckverfahren. Mit Technologien wie DED, Pulverbettverfahren oder auch Extrusion können sie in komplexe, präzise und optimierte Teile umgewandelt werden. Diese Verfahren beeinflussen direkt die Mikrostruktur der gedruckten Materialien und machen es möglich, maßgeschneiderte Teile mit spezifischen mechanischen Eigenschaften herzustellen. Der 3D-Druck ermöglicht auch die Arbeit mit technischen Keramiken. Zirkoniumdioxid zum Beispiel bietet eine hervorragende Beständigkeit gegen Hitze, Verschleiß und korrosive Umgebungen. Dieses Material wird bei sehr hohen Temperaturen sogar leitfähig. Auch andere Keramiken weisen interessante Eigenschaften für Bauteile auf, die in der Raumfahrt extremen Bedingungen ausgesetzt sind.
#3: Vereinfachte Montage und Kostensenkung
Durch den Einsatz von 3D-Druck können Hersteller wichtige Bauteile, z. B. für Motoren, kostengünstiger herstellen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Methoden vereinfacht der 3D-Druck den Herstellungsprozess erheblich. Er erleichtert auch die Erstellung von Prototypen und die Iterationen, die für das Design des Endprodukts erforderlich sind. Ein weiterer großer Vorteil ist die geringere Anzahl an Bauteilen für die Herstellung eines Raumschiffs. Mithilfe des 3D-Drucks ist es manchmal möglich, die Montage von Tausenden von Teilen zu vermeiden. So hat SAB Aerospace beispielsweise kürzlich eine einteilige Raketendüse im 3D-Druckverfahren hergestellt, für die traditionell Tausende von Einzelteilen zusammengebaut werden müssen. Relavity Space wiederum hat den Bau seiner Terran-Rakete stark vereinfacht, indem es die Anzahl der Bauteile um 1.000 reduzierte.
Die von SAB Aerospace in 3D gedruckte Raketendüse. (Bild: SAB Aerospace)
Verbesserung der Bedingungen für Astronauten
#4: Herstellung von Ersatzteilen in der Mikrogravitation
Der 3D-Druck macht es möglich, Gegenstände direkt im Weltraum herzustellen. Dieser Fortschritt reduziert die Abhängigkeit von den oft langwierigen und teuren Expeditionen von der Erde aus stark. Anstatt mehrere Wochen oder gar Monate auf die Ankunft eines Ersatzteils zu warten, können die Besatzungsmitglieder nun alles, was sie an Bord benötigen, selbst entwerfen und herstellen. Diese technische Autonomie ist vor allem bei unvorhergesehenen Ereignissen wertvoll: Sollte ein Werkzeug kaputt gehen oder fehlen, kann vor Ort einfach ein neues gedruckt werden. Dies erhöht die Sicherheit und Effizienz der Missionen erheblich, da es weniger Unterbrechungen gibt. Derzeit laufen mehrere Experimente, um das Potential des 3D-Drucks im Weltraum zu erforschen. Im Jahr 2024 wurde ein wichtiger Meilenstein erreicht, als direkt an Bord der ISS ein erstes Metallteil hergestellt wurde. Solche Tests zeigen, dass die Technologie auch unter Weltraumbedingungen funktioniert, auch wenn sie sich noch in der Testphase befindet.
#5: 3D-Druck von Lebensmitteln
Die Ernährung ist bei Weltraummissionen eine echte Herausforderung, besonders wenn sie mehrere Monate oder sogar Jahre dauern. Astronauten müssen große Vorräte mitnehmen, die viel Platz und Gewicht beanspruchen. Mithilfe des 3D-Lebensmitteldrucks können Mahlzeiten direkt an Bord aus Grundzutaten in Form von Pasten oder Pulvern zubereitet werden. So wird es denkbar, für jedes Besatzungsmitglied individuelle Mahlzeiten zu kreieren, die seine besonderen Ernährungsbedürfnisse berücksichtigen. Diese Technologie verringert auch die Verschwendung und optimiert die Nutzung von Ressourcen. In Tests wurde bereits Fleisch mithilfe des 3D-Drucks hergestellt, und zwar in der Schwerelosigkeit, z. B. auf der Internationalen Raumstation (ISS). Parallel dazu erforschen Wissenschaftler weiter, ob diese Technologie wirklich zu einer zuverlässigen Lösung für die Ernährung von Astronauten auf langen Missionen werden kann.
#6: Drucken von medizinischen Geräten und Bioprinting
Bei längeren Weltraummissionen ist es nicht immer möglich, alle notwendigen medizinischen Geräte mitzunehmen. Mithilfe des 3D-Drucks können Astronauten vor Ort nützliche Gegenstände herstellen, um Verletzungen zu behandeln oder bestimmte Gesundheitsprobleme zu therapieren. Beispielsweise können sie Schienen oder sogar chirurgische Werkzeuge ausdrucken, die auf die jeweilige Situation zugeschnitten sind. So können sie im Bedarfsfall schnell reagieren und müssen nicht auf eine Lieferung von der Erde warten. Darüber hinaus macht auch das Bioprinting, also das Drucken von lebendem Gewebe, im Weltraum Fortschritte. Der Firma Redwire Corporation ist es gelungen, einen 3D-Meniskus in Mikrogravitation zu drucken, was beweist, dass diese Technologie eines Tages dabei helfen könnte, Gewebe direkt im Weltraum zu reparieren.
#7: 3D-Druck von Raumanzügen
Ein weiteres Beispiel, wie der 3D-Druck für die Weltraumforschung eingesetzt wird, betrifft die Sicherheit der Astronauten durch deren Schutzkleidung. Die Herstellung von Raumanzügen auf der Erde ist ein großer Vorteil für zukünftige Missionen. Denn wenn man einmal auf dem Mond oder dem Mars angekommen ist, reicht es nicht aus, dort zu sein: Man muss sich dort auch sicher bewegen können. Im Jahr 2023 stellte Axiom Space den Prototyp eines neuen Anzugs vor, der für die Astronauten des Artemis-Programms entwickelt wurde. Dieses Modell wurde mithilfe von CAD-Software, 3D-Druck und herkömmlichen Nähtechniken entwickelt. Ein solcher Ansatz würde es ermöglichen, die Anzüge an die örtlichen Gegebenheiten anzupassen, sie im Bedarfsfall schnell zu reparieren und den spezifischen Anforderungen jeder Mission besser gerecht zu werden.
Der Raumanzug für die Astronauten des Artemis-Programms (Bild: Axiom Space)
Um das Leben im Weltraum zu beschleunigen
#8: Bau von Weltraumstrukturen und zukünftigen Lebensräumen
Um dauerhaft auf dem Mond oder Mars zu leben, wird es nicht ausreichen, einfache Unterkünfte zu bauen. Mithilfe des 3D-Drucks kann man nun vor Ort eine Vielzahl von Gebäuden errichten, z. B. Wohnhäuser, Solaranlagen zur Energiegewinnung und andere notwendige Infrastrukturen. Ein entscheidender Vorteil dieser Technologie ist, dass lokale Materialien wie Regolith verwendet werden können. Dies ermöglicht es, vor Ort tragfähige Strukturen zu errichten. Darüber hinaus können per 3D-Druck maßgeschneiderte Strukturen erstellt werden, um den besonderen Herausforderungen des Weltraums gerecht zu werden, wie Strahlung, extreme Temperaturen oder geringe Schwerkraft. Auch auf diese Weise trägt der 3D-Druck zur Weltraumforschung bei.
Bild: ESA
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*Titelbildnachweis: Pixabay
