NASA untersucht Laserstrahlschweißen für die Fertigung im Weltraum

Die NASA erforscht seit Ende der 1990er Jahre die Möglichkeiten der additiven Fertigung. Anfangs war es der 3D-Druck mit Kunststoffen und Anfang der 2000er Jahre begann man damit, Metall für Prototypen zu verwenden. In den 2010er Jahren testet die NASA dann Raketentriebwerke mittels 3D-Druck. Derzeit wird die Machbarkeit des Laserstrahlschweißens getestet, eine Technologie die additive Fertigung auch im All ermöglicht.

Die NASA hat schon einmal Schweißen im All durchgeführt, aber nicht erst seit der SkylabMission 1973. Mit der steigenden Nachfrage nach Raumfahrtfertigung wendet sich die NASA wieder dem Schweißen im All zu, diesmal jedoch mit Laserstrahlschweißen. Konkret wollen das Marshall Space Flight Center der NASA in Huntsville, Alabama, und die Ohio State University in Columbus die Herstellung im Weltraum mit einem Laserstrahlschweißen simulieren. Die Initiative wird teilweise von Marhsall finanziert und erstreckt sich über zwei Jahre, an der Studenten und Professoren aus Ohio und Ingenieure aus den NASA-Zentren beteiligt sind.

Wissenschaftler und Ingenieure des Marshall Space Flight Center der NASA, die sich im August an der Laserstrahlschweißstudie beteiligten, stehen vor dem Parabolflugzeug, das für Tests genutzt wird. Von links: Will Evans, Louise Littles, Emma Jaynes, Andrew O’Connor und Jeffrey Sowards. Nicht im Bild: Zachary Courtright.(Bild: NASA, Casey Coughlin)

Laserstrahlschweißen ist eine Art der gerichteten Energieabscheidung, die oft für Reparaturen oder die Herstellung von Bauteilen von Grund auf genutzt wird. Bei diesem Verfahren wird ein Laser verwendet, um Schmelzmaterial, typischerweise Metall, während der Abscheidung aus einer Düse zu schmelzen. In der Raumfahrt können das Laserstrahlschweißen und andere verwandte Verfahren für Reparaturen genutzt werden, könnten jedoch auch Strukturen herstellen, die zu groß sind, um mit den derzeitigen Startkapazitäten transportiert zu werden. Schweißen im Weltraum könnte den Bau großer Habitate in niedriger Erdumlaufbahn, die Entwicklung von Raumschiffstrukturen für die Sicherheit von Astronauten und mehr beschleunigen.

Laut einem Artikel, der von der NASA veröffentlicht wurde, verfolgt das gemeinsame Projekt zwischen dem Marshall Space Flight Center und der Ohio State University das Ziel, die physikalischen Prozesse des Schweißens auf der Mondoberfläche zu verstehen. Dazu gehört die Untersuchung der Effekte des Laserstrahlschweißens in einer Umgebung mit kombiniertem Vakuum und reduzierter Schwerkraft. Durch das Verständnis, wie Laserstrahlschweißen in einer solchen Umgebung funktionieren könnte, hofft das Team, die Fertigungsmöglichkeiten im Weltraum zu erweitern. Dies eröffnet die Möglichkeit, auf dem Mond große Strukturen zusammenzubauen oder Reparaturen vorzunehmen.

Andrew O’Connor, Materialwissenschaftler am Marshall Space Flight Center, ist der technische Leiter des Projekts bei der NASA und koordiniert auch die Zusammenarbeit zwischen NASA und der Ohio State University. O’Connor erklärte die Hinwendung zum Schweißen mit den Worten: „Lange Zeit haben wir in der Raumfahrt Schrauben, Nieten oder andere mechanische Mittel verwendet, um zusammengebaute Strukturen zu befestigen. Aber wir beginnen zu erkennen, dass wir für wirklich starke Verbindungen und für Strukturen, die auf der Mondoberfläche zusammengebaut werden, möglicherweise Schweißtechniken im Weltraum benötigen.“

Die Forscher testeten daher das Laserstrahlschweißen unter simulierten Weltraumbedingungen, einschließlich der Temperatur- und Wärmeübertragung im Vakuum, der Größe und Form des Schmelzbereichs unter einem Laserstrahl, der Beschaffenheit des Schweißquerschnitts nach der Erstarrung sowie der Veränderungen der mechanischen Eigenschaften von Schweißnähten, die unter mondähnlichen Umweltbedingungen durchgeführt wurden. Laut O’Connor kann das Team durch eine Kombination aus Experimenten und Computersimulationen das Schweißen im Weltraum bereits am Boden vorhersagen.

Das Forschungsteam im Schwerelosigkeitsflugzeug. (Bild: Tasha Dixon)

Das Welding Engineering- und Multidisciplinary Capstone-Programm der Ohio State University sowie das Materials and Processes Laboratory des Marshall Space Flight Center führten im August 2024 Schweißversuche mit einem hochleistungsfähigen Faserlaserstrahl an Bord eines kommerziellen Flugzeugs durch, das reduzierte Schwerkraft simulierte. Mithilfe von parabolischen Flugmanövern konnte das Flugzeug etwa 20 Sekunden lang eine Umgebung mit reduzierter Gravitation erzeugen. Anschließend führten die Teammitglieder Laser-Schweißexperimente in einer simulierten Umgebung sowohl für eine niedrige Erdumlaufbahn als auch für die Mondgravitation durch. Während der Tests erfasste ein Netzwerk von Sensoren Daten, deren Analyse das Verständnis der Auswirkungen von Weltraumbedingungen auf den Schweißprozess und das geschweißte Material verbessern soll.