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Die besten Anwendungen des 3D-Drucks im All

Am 31. Januar 2022 von Moritz M. veröffentlicht

Bis zur Unendlichkeit … und noch viel weiter! Wer kennt diesen Kultspruch aus Toy Story nicht? Der Wunsch der Menschheit das Weltall zu erkunden, wird in diesem Satz perfekt auf den Punkt gebracht. Nachdem der Mensch im Glauben ist, die Erde so gut wie möglich erforscht zu haben, erweitert der Weltraum die Grenzen des denkbaren. Denn wer sagt, dass die menschliche Innovationskraft auf den Planeten Erde beschränkt ist? Aus diesem Grund ist es auch wenig überraschend, dass Visionäre in ihren Vorhaben auf modernste Technologien setzen, um ihren Träumen ein Stück näher zu kommen. Und auch die additive Fertigung wird für diese Vorhaben genutzt: Von 3D-gedruckten Satelliten über Raketen bis hin zu Lebensmitteln – nichts scheint unmöglich! In unserer Auswahl wollen wir Ihnen einige der innovativsten Anwendungen des 3D-Drucks im All vorstellen!

Der 3D-Druck auf der ISS

Zu den bedeutendsten Anwendungsmöglichkeiten des 3D-Drucks im All zählen die Tests, mit denen Astronauten auf der ISS herausfinden, ob die additive Fertigung auch in der Schwerelosigkeit nützlich sein könnte. So wollen Incus und die Europäische Weltraumorganisation (ESA) herausfinden, ob das lithografie-basierte Metallherstellungsverfahren (LMM) von Incus zur Herstellung von Teilen auf einer Mondbasis unter Verwendung von Altmetall oder vorhandenen Oberflächenmaterialien geeignet ist. Auch auf der ISS werden derzeit Experimente durchgeführt, die feststellen sollen, ob das Bioprinting Zukunftspotenzial hat. Für die Europäische Weltraumorganisation bedeutet dies – „um die medizinische Behandlung von Langzeit-Weltraumexpeditionen und Planetensiedlungen zu unterstützen“. Die Experimente werden in der BioFabrication Facility durchgeführt, wo ein Team aus Wake Forest einen NASA-Wettbewerb mit seiner Technologie zur Herstellung von im Labor gezüchtetem menschlichem Lebergewebe mittels additiver Fertigung gewann. Neben diesen Beispielen gibt es aber noch viele andere Experimente, die unter anderem in der Additive Manufacturing Facility von Redwire durchgeführt werden.

3D Printing in Space

Bild: Incus GmbH

Additiv gefertigte Strukturen auf dem Mond

Sie haben vermutlich bereits von 3D-gedruckten Häusern auf der Erde gehört – aber wussten Sie, dass die NASA und andere Organisationen auch das Potenzial zur Besiedlung des Mondes und anderer Planeten erforschen? Die Kolonisierung des Weltraums, d. h. die hypothetische dauerhafte Besiedlung von anderen Himmelskörpern als der Erde, ist seit einigen Jahren für viele Organisationen relevant, die sich mit der Thematik des Möglichen beschäftigen. Der Dreh- und Angelpunkt für viele ist die Frage, ob wir in der Lage wären, dauerhafte Siedlungen zu schaffen. Die additive Fertigung wird als eine mögliche Lösung zur Umsetzung gesehen. Heute gibt es bereits mehrere Projekte, die sich dieser Herausforderung stellen wollen.  Dazu zählt Olympus von ICON, ein Projekt das Prototypen für mögliche additive Konstruktionssysteme entwickelt und testet, mit welchen Infrastrukturen auf dem Mond 3D-gedruckt werden könnten. Redwire verfolgt eine ähnliche Idee: das Unternehmen wirkt an der Redwire Regolith Print (RRP)-Studie der ISS mit, um festzustellen, ob sich Mondregolith als 3D-Druckmaterial eignen könnte. Aber es gibt noch viele andere Projekte, wie das Marsha Design von AI SpaceFactory, das die NASA Centennial Challenge für 3D-gedruckte Lebensräume gewonnen hat, sowie unterschiedliche Vorhaben von Luyten oder der ESA.

3D Printing in Space

Bild: ICON

3D-Druck zum Bau von Satelliten

Die additive Fertigung wird auch immer häufiger zur Herstellung von Satelliten eingesetzt. Derzeit gibt es Projekte von Unternehmen wie Boeing und Airbus, welche mit der additiven Fertigung komplexere und leichtere Bauteile für ihre Satelliten herstellen. So hat Airbus beispielsweise das Additive Layer Manufacturing (ALM) Verfahren zur Fertigung von Hochfrequenzkomponenten für zwei Eurostar Neo-Satelliten eingesetzt. Das MIT hat im vergangenen Jahr ionenbetriebene Nanosatelliten-Triebwerke 3D gedruckt. Vor kurzem hat auch Fleet Space in Australien angekündigt, 3D-gedruckte Satelliten entwickeln zu wollen, um die Centauri-Konstellation zu ergänzen.

Bild: Fleet Space

Mars-Kolonialisierung

Die Besiedlung eines anderen Planeten mag zunächst nach Science-Fiction klingen, dabei wird dies zunehmend zur Realität. Der Mensch versucht bereits seit Jahren, den Mars zu „erobern“ und der 3D-Druck wird zunehmend zum Mittel der Wahl, um diese Vorhaben wahr werden zu lassen. Die NASA hat bereits 2020 den Perseverance Rover mit elf 3D-gedruckten Metallteilen und Werkzeugen zum Mars geschickt. Diese sind leichter und verfügen über eine hochgradige Zielerfassung, welche mit konventionellen Fertigungsmethoden nicht erreicht werden könnte. Die Perseverance suchen nach uraltem mikrobiellen Leben. Ein weiteres Projekt stammt von der Technischen Universität Delft, die Zebro-Roboter entwickelt, die in der Lage sein werden, sich unter die Marsoberfläche zu graben, um 3D-gedruckte unterirdische Lebensräume zu schaffen. Die Roboter können miteinander kommunizieren und sich Aufgaben teilen: dazu zählen das Graben der Tunnel und der Bau von 3D-gedruckten Strukturen. Ein unterirdischer Lebensraum könnte sich für eine potenzielle Besiedlung eignen, da dieser thermischen Veränderungen weniger ausgesetzt ist. Das letzte Projekt in diesem Bereich stammt von ICON und der Big-Bjarke Ingels Gruppe für ein NASA Projekt: Dabei handelt es sich um die Simulation eines 3D-gedruckten Lebensraums namens Mars Dune Alpha. Ziel sei es, den Lebensraum auf dem Mars zu errichten, um von dort Erkundungsmissionen im Weltraum durchzuführen.

3D Printing in Space

So soll Mars Dune Alpha aussehen (Bild: ICON)

3D-gedruckte Triebwerke

Die additive Fertigung wird in der Luft- und Raumfahrt und insbesondere zur Weltraumerforschung für verschiedene Anwendungen eingesetzt. Grund dafür ist die Möglichkeit, mit der additiven Fertigung einzigartige Geometrien herzustellen, die leichtere, billigere und effizientere Teile ermöglichen. Dazu zählt unter anderem die Nutzung der additiven Fertigung zum Bau von Triebwerken. Diese wurden beispielsweise in der Griffin-Mondlandefähre integriert.

Das Griffin Mission One (GM1)-Team von Astrobotic hat gemeinsam mit Agile Space Industries maßgeschneiderte 3D-gedruckte Schubdüsen für die Griffin-Mondlandefähre, die so genannten Attitude Control Thrusters (ACT) entwickelt. Griffin wird von der NASA eingesetzt, um den Volatines Investigating Polar Exploration Rover (VIPER) im Jahr 2023 zum Südpol des Mondes zu transportieren. Die Mission sei besonders wichtig, weil der Rover dabei helfen soll, Eis auf dem Mond ausfindig zu machen.

3D printing in space

NASA’s VIPER auf der Mondoberfläche (Bild: NASA Ames/Daniel Rutter)

3D-gedruckte Raketentriebwerke

Viele Unternehmen sind bestrebt ihre Raketentriebwerke schneller herzustellen. Das geht am besten, indem das Herstellungsverfahren innoviert wird. Aus diesem Grund wenden sich viele Raumfahrtunternehmen dem 3D-Druck zu. Immer häufiger nutzen Ingenieure deshalb den SLS-3D-Druck, um die Bauteile für die Raketentriebwerke mit einem Pulver aus einer Kupferlegierung, das hohen Temperaturen standhält, in 3D zu drucken. Wenn wir einen Blick auf die 3D-gedruckten Raketentriebwerke werfen, finden wir mehrere aktuelle Projekte. Dazu zählt unter anderem das spanische Unternehmen Pangea, das fortschrittliche 3D-gedruckte Verbrennungsvorrichtungen aus innovativen Materialien entwickelt und industrialisiert. Das Unternehmen hat einen 3D-gedruckten Raketenmotor entwickelt, der im Vergleich zu herkömmlichen Motoren um 15 % effizienter ist.


Die NASA zählt zu den wichtigsten Unternehmen in der Raumfahrt und entwickelt mit dem Projekt RAMPT (Rapid Analysis and Manufacturing Propulsion Technology) die Raketen von morgen. Der 3D-Druckerhersteller SPEE3D erhielt von der australischen Regierung einen Zuschuss in Höhe von 1,5 Millionen Dollar für ein Projekt, bei dem die patentierte Kaltgusstechnologie des Unternehmens zum Druck von Raketentriebwerken aus metallischem Material eingesetzt wird.

3D-gedruckte Raketen

Neben der Herstellung spezifischer Teile wird die additive Fertigung in der Luft- und Raumfahrtindustrie auch für zum Bau von 3D-gedruckten Raketen eingesetzt. Dieser Trend ermöglicht es den Unternehmen, das Gewicht ihrer fertigen Teile zu reduzieren. Zu diesen zählt unter anderem Relativity Space, ein US-amerikanisches Startup-Unternehmen, das in den letzten Jahren ein exponentielles Wachstum verzeichnen konnte und zu den 3D-Druck-Unternehmen zählt, die das meiste Kapital sammeln konnten. Die Terran R soll die erste vollständig 3D-gedruckte und wiederverwendbare Rakete sein, die mehr als 20.000 kg in die Erdumlaufbahn (LEO) befördern kann. Terran R soll ab 2024 von Cape Canaveral aus starten.

Auch SpaceX, das Vorhaben von Elon Musk, nutzt seit 2014 die additive Fertigung, um Raketenbauteile herzustellen. Das Ziel des Visionärs ist es, bis 2050 den Mars zu besiedeln. Damit dies gelingt, setzt SpaceX auf den 3D-Metalldruck (DMLS), um den Herstellungsprozess zu innovieren. Mit der Technologie können Raketenteile gebaut werden, die im Anschluss  wiederverwendet werden können.

Einsatz des 3D-Drucks zur Herstellung von Lebensmitteln

Eine weitere Herausforderung für die Raumfahrtindustrie stellt die Bereitstellung von 3D-gedruckten Lebensmitteln dar. Tatsächlich gab es in den letzten Jahren mehrere Projekte, die 3D-Technologien für die Lebensmittelherstellung im Weltraum nutzen. Dazu zählt auch das israelische Unternehmen Aleph Farms, das 2019 ein Projekt zur Herstellung von Fleisch an Bord der Internationalen Raumstation (ISS) mit der Hilfe eines 3D-Druckers ankündigte. Dank des 3D-Druckers von Bioprinting Solutions gelang es, ein zellbasiertes Fleisch zu drucken, das die Textur, den Geschmack und die Struktur eines klassischen Steaks hervorbringt. Zur Umsetzung wurden Rinderzellen von der Erde verwendet und ins All gesandt, wo sie kultiviert wurden. Darüber hinaus beteiligt sich Aleph Farms aber auch an der Mission „Space Food“. Dabei handelt es sich um ein Konsortium von Raumfahrt-, Lebensmittel- und Technologieexperten, die einen integrativen Ansatz für die menschliche Ernährung im Weltraum entwickeln. Zusammen mit dem kulinarischen und technischen Fachwissen des Unternehmens Astrea sollen neue Weltraumnahrungsmittel entwickelt werden, die den Astronauten helfen, ihre Speisen selbst herzustellen.

Bild: Aleph Farms

Eine weitere Initiative dieser Art stammt vom SMRC in Zusammenarbeit mit der NASA, die gemeinsam Lebensmittel für Langzeitmissionen im Weltraum identifizieren wollen. Ziel sei es, mit dem 3D-Druck Gerichte herzustellen, die einen angenehmen Geschmack beibehalten und gleichzeitig Nährstoffe enthalten, die während der gesamten Mission nicht abgebaut werden. Die NASA führt derzeit ein Projekt durch, das die Arbeit von Unternehmen auszeichnet, die innovative Wege finden, um Lebensmittel ins All zu bringen. Von allen teilnehmenden Organisationen setzen vier auf den 3D-Druck: BigRedBites, ALSEC, Electric Cow und KEETA.

SpaceX’s 3D-gedruckter Astronautenanzug

Ein weiterer Anwendungszweck der additiven Fertigung in der Raumfahrt stellt die Herstellung von spezieller Kleidung dar, die für Weltraummissionen benötigt wird. SpaceX hat deshalb 3D-gedruckte Raumanzüge und Helme entwickelt, die mit Desktop-3D-Druckern leicht nachgebaut werden können. Jeder Helm verfügt über ein Visier, Ventile, Schlösser und Mikrofone und entsprechen den Anforderungen der Raumfahrt. Für die Herstellung der Helme wurde das FDM-Druckverfahren verwendet, da die Technologie eine größere Auswahl an fortschrittlichen Materialien wie PEKK bietet.

Bild: SpaceX

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