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¿Cuál es el papel de la impresión 3D en la exploración espacial?

Publicado el mayo 29, 2023 por Alicia M.
impresión 3d exploración espacial

Desde el siglo XX, la exploración espacial siempre ha estado en el ADN de la humanidad, buscando comprender lo que ocurre fuera del planeta Tierra. Grandes organizaciones como la NASA y la Agencia Espacial Europea (ESA) son clave en la conquista del espacio. Y la impresión 3D también juega un papel importante. Gracias a la impresión 3D, ahora es posible crear piezas complejas rápidamente y a bajo coste. Este método de fabricación ha permitido un gran número de aplicaciones, como satélites, trajes espaciales, piezas para cohetes, etc. Según SmarTech, se espera que el valor de mercado de la fabricación aditiva en la industria espacial privada alcance los 2.100 millones de euros en 2026. La pregunta que podemos hacernos ahora es: ¿cómo podría la impresión 3D permitirnos ocupar un lugar en el espacio?

En sus inicios, la fabricación aditiva se utilizaba para aplicaciones de prototipado rápido y utillaje. Pero con el paso de los años y la democratización de la tecnología, el proceso acabó utilizándose para piezas de uso final. Con el desarrollo de la impresión 3D de metal, en particular la fusión láser por lecho de polvo (L-PBF), la impresión 3D en el sector aeroespacial empezó a desarrollarse a finales de la década de 1990. Esta técnica permite utilizar una gran variedad de metales, con propiedades avanzadas y gran resistencia a las condiciones extremas del espacio. También se utilizan otras tecnologías de impresión 3D para fabricar piezas de uso final. Por ejemplo, la deposición de energía directa (DED) se utiliza para reparar o fabricar componentes en la industria aeroespacial. Los procesos de inyección aglutinante y extrusión también son soluciones muy recurrentes. De hecho, en las últimas décadas han surgido nuevos modelos de negocio y empresas que se basan en la fabricación de impresoras 3D para diseñar piezas aeroespaciales, modelando su negocio en torno a las tecnologías 3D. Entre ellas, podemos mencionar Made in Space, una empresa estadounidense, o Relativity Space.

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Relativity Space desarrolla impresoras 3D para el sector aeroespacial. (Créditos: Relativity Space)

Las tecnologías 3D en el sector aeroespacial

Veamos ahora con más detalle las diferentes tecnologías de impresión 3D utilizadas en el sector aeroespacial. En primer lugar, cabe señalar que la fabricación aditiva de metal es la más extendida en el sector, y más concretamente la fusión por láser en un lecho de polvo. Este proceso consiste en utilizar una fuente de energía láser para fusionar polvos metálicos depositados capa por capa. Es un método especialmente útil para la producción de piezas pequeñas, complejas, detalladas y personalizadas. Por otro lado, los fabricantes del sector aeroespacial pueden beneficiarse de la tecnología DED. Consiste en depositar un hilo o polvo metálico al tiempo que se funde y se utiliza principalmente para la reparación, el revestimiento o la producción de piezas metálicas personalizadas y, en casos excepcionales, de piezas cerámicas.

Por otro lado, también podemos encontrar la tecnología de inyección aglutinante. A pesar de sus ventajas en términos de velocidad de producción y bajo coste, no permite la creación de piezas con elevadas propiedades mecánicas. Por tanto, requiere pasos de refuerzo posteriores al proceso que alarguen la vida útil del producto final. También está la tecnología de extrusión, que puede ser eficaz en esta industria. Sin embargo, no todos los polímeros son adecuados para su uso en el sector espacial. Los plásticos de alto rendimiento, como el PEEK, pueden sustituir a algunas piezas metálicas debido a su resistencia. No obstante, aunque este proceso de impresión 3D sigue siendo el menos común, puede ser una baza importante para la exploración espacial con el uso de nuevos materiales.

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La fusión láser por lecho de polvo es un proceso muy extendido en la impresión 3D aeroespacial. (Créditos: DMG Mori)

El potencial de los materiales

El uso de la impresión 3D en el sector aeroespacial permite explorar nuevos materiales y proponer alternativas que podrían revolucionar el mercado. Los metales más comunes son el titanio, el aluminio o el inconel, pero un material que podría destacar en los próximos años es el regolito lunar. Se trata de una especie de polvo que cubre la Luna. La Agencia Espacial Europea (ESA) ha demostrado las ventajas de este material cuando se combina con la impresión 3D. Advenit Makaya, ingeniero de fabricación avanzada de la ESA, explica: “El regolito lunar es como el hormigón. Es arena compuesta principalmente de silicio, algunos elementos químicos como hierro, magnesio o aluminio. También está compuesto de oxígeno”. En 2018, desveló los resultados de sus primeras impresiones con un simulante de regolito lunar. Este último imita las propiedades del polvo lunar real.

En colaboración con Lithoz, la ESA ha fabricado pequeñas piezas funcionales, como tornillos y engranajes. “La mayoría de los procesos en los que estamos trabajando para desarrollar la fabricación a partir del regolito lunar utilizan procesos que implican calor”, añade Advenit Makaya. “Por tanto, este material es compatible con tecnologías como SLS. Las soluciones de impresión 3D por inyección aglutinante también son compatibles con este tipo de material. También trabajamos con la tecnología D-Shape. El objetivo con esta empresa asociada es mezclar cloruro de magnesio con el material para que se combine con el óxido de magnesio del simulante y cree una pieza sólida”.

En cuanto a sus características, este material lunar permitiría una resolución de impresión más fina. Según la ESA, este material tendría la capacidad de producir piezas con el máximo nivel de precisión. Este detalle sería una baza importante para ampliar el abanico de aplicaciones y, en el futuro, fabricar componentes aptos para bases lunares.

El regolito lunar puede encontrarse en cualquier parte de la Luna. (Créditos: TriasRnD)

También está el regolito marciano, el polvo que se encuentra en Marte. Y aunque las agencias espaciales internacionales aún no han obtenido esta sustancia, el material sigue presente en algunos proyectos aeroespaciales. Los investigadores están utilizando un simulante de dicho regolito y combinándolo con una aleación de titanio con la esperanza de fabricar herramientas o piezas para cohetes. Los resultados sugieren que el material ofrece mayor resistencia y puede proteger los equipos de la oxidación y los daños causados por la radiación. No hay grandes diferencias entre ambos materiales, pero el regolito lunar es el material más probado. Además, su ubicación permite fabricar piezas directamente in situ. Este detalle evita la necesidad de introducir materia prima terrestre en los cohetes. Esta sustancia también representa una fuente inagotable de materiales, con lo que se evita la escasez.

Las aplicaciones de la impresión 3D en la exploración espacial

Dependiendo de la tecnología 3D utilizada, las aplicaciones pueden variar. En efecto, el proceso L-PBF permite crear piezas detalladas en pequeñas series, como sistemas de utillaje o piezas de recambio para el espacio. Launcher, una startup con sede en California, utilizó la tecnología de impresión 3D de metal Sapphire de Velo3D para mejorar su motor de cohete E-2 Liquid. El proceso del fabricante se utilizó para crear la turbina inductora. En concreto, la turbina y el inductor se imprimieron en 3D por separado y, a continuación, se ensamblaron las piezas. Este componente es esencial porque acelera e impulsa el LOX (oxígeno líquido) hacia la cámara de combustión. Así, esta pieza proporciona más flujo de fluido y más empuje al cohete.

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Velo3D contribuyó a la fabricación del motor E-2 Liquid con tecnología PBF. (Créditos: Launcher)

La fabricación aditiva también puede utilizarse para producir estructuras a gran escala, como hélices y tanques. Relativity Space lo ha demostrado utilizando su solución Stargate para producir el Terran 1, un cohete impreso en 3D casi por completo. Entre dichas piezas encontramos el depósito de combustible, que mide varios metros. La estructura del cohete también se desarrolló utilizando el proceso Stargate de Relativity Space. El Terran 1 despegó el 23 de marzo de 2023, una primicia para el sector que demuestra la eficacia y fiabilidad del proceso de fabricación aditiva.

Por último, la impresión 3D por extrusión permite utilizar materiales de alto rendimiento, como el PEEK, para crear piezas. Este termoplástico ya se está probando en el espacio. Se han colocado componentes impresos en 3D con este material en el rover Rashid. Este vehículo se integró a su vez en un cohete Falcon 9 como parte de la misión Emirates Lunar. El objetivo era probar la resistencia del PEEK a las condiciones extremas de la Luna. Podría ser así una alternativa para sustituir piezas metálicas en caso de rotura de éstas o de escasez de materiales. Este termoplástico de alto rendimiento también permite aligerar el peso de los componentes, una ventaja muy valiosa para la exploración extraterrestre.

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La impresión 3D puede utilizarse para crear muchas piezas en la industria aeroespacial.

Ventajas de la fabricación aditiva en este campo

La impresión 3D es una tecnología atractiva que no tiene nada que envidiar a otras técnicas de construcción tradicionales, sobre todo en lo que respecta al acabado final de las piezas. “La tecnología hace que las piezas sean más ligeras”, afirma Johannes Homa, director general de Lithoz, fabricante austriaco de impresoras 3D. “Gracias a la libertad de diseño, los componentes son más eficientes y requieren menos recursos. Por supuesto, esto influye positivamente en el impacto medioambiental de la producción de piezas”, añade. Relativity Space ha demostrado que la impresión 3D puede reducir el número de componentes necesarios para fabricar una nave espacial. En el caso del cohete Terran 1, se ahorraron 100 piezas gracias a la fabricación aditiva. Además, esta tecnología ofrece una gran ventaja en términos de velocidad de producción. El cohete de Relativity Space se completó en menos de 60 días. En comparación, construir otro cohete de la forma tradicional puede llevar varios años.

En cuanto a la gestión de recursos, la impresión 3D permite, por definición, ahorrar materiales y, en algunos casos, reciclar residuos. Por último, la fabricación aditiva sería una baza enorme para aligerar los cohetes durante el despegue. En efecto, se trata de aprovechar al máximo los materiales locales, en este caso el regolito, y de minimizar el transporte de material en la nave espacial. Así, sólo será posible transportar la impresora 3D, que podrá crear todo in situ una vez finalizado el viaje.

Made in Space ya ha enviado una de sus impresoras 3D al espacio para realizar pruebas. (Créditos: Made in Space)

Los límites de la impresión 3D en el espacio

A pesar de los beneficios que puede aportar la impresión 3D, la tecnología es todavía nueva y puede tener limitaciones. “El problema actual de la fabricación aditiva en el sector aeroespacial es cómo controlar el proceso y cómo validarlo”, afirma Advenit Makaya.

Por un lado, en la Tierra, los fabricantes del sector tienen acceso a laboratorios donde cada pieza puede someterse a pruebas de microestructura, resistencia y fiabilidad antes de ser validada. Este proceso se denomina NDI, o inspección no destructiva. Además de aumentar el tiempo necesario para validar la pieza, también resulta muy caro. Por tanto, el objetivo final es limitar estas pruebas para reducir los precios. En ello trabaja actualmente la NASA. La agencia espacial acaba de inaugurar un centro dedicado a la comprensión y la certificación rápida de piezas metálicas creadas mediante fabricación aditiva. El objetivo del centro es mejorar los modelos informáticos de los productos utilizando gemelos digitales para ayudar a los ingenieros a comprender las capacidades y limitaciones de las piezas. En concreto, los ingenieros podrán ver cuánta tensión pueden soportar las piezas antes de romperse. Así, se espera que el centro ayude a promover el uso de la impresión 3D en el sector aeroespacial. Esto le permitirá competir mejor con las técnicas tradicionales que fabrican piezas para esta industria.

Las piezas se someten a pruebas exhaustivas de fiabilidad y resistencia. (Créditos: Creaform)

En cambio, si la fabricación se realiza en el espacio, el proceso de verificación es diferente. Advenit Makaya, de la ESA, explica: “Existe una técnica que consiste en analizar la pieza mientras se imprime”. Este proceso, dice, mostraría qué producto impreso sería adecuado y cuál no sería utilizable. Además, existe un sistema de autocorrección para las impresoras 3D que se utilizan en el espacio. Esta solución se está probando en máquinas de metal. En concreto, la máquina sería capaz de determinar en qué punto del proceso de fabricación existe riesgo de error. A continuación, podría modificar automáticamente sus parámetros para corregir los posibles defectos de la pieza para mejorar su fiabilidad en el espacio. Por último, para validar una solución impresa en 3D, existen normas elaboradas por la NASA y la ESA. Representan una lista de pruebas que deben realizarse en la pieza para determinar si el producto final es fiable. Tienen en cuenta la tecnología de fusión por lecho de polvo, y se están actualizando para otros procesos. Sin embargo, la mayoría de los principales actores de la industria de materiales también ofrecen este tipo de trazabilidad, como Arkema, BASF, Dupont y Sabic, entre otros.

¿Será posible vivir en el espacio?

Con la impresión 3D, muchos proyectos en la Tierra han demostrado que es posible construir viviendas. Con los avances del sector, ahora podemos preguntarnos si, en un futuro próximo o lejano, este proceso podría permitirnos vivir en el espacio. Por el momento, la idea de vivir en el espacio no es real. Sin embargo, la construcción de viviendas, especialmente en la Luna, sería beneficiosa para los astronautas que realizan misiones espaciales. De hecho, el objetivo de agencias espaciales como la ESA es construir cúpulas a partir del regolito lunar. “Con este material, podemos construir muros como el proceso de extrusión del hormigón en la Tierra. También podemos crearlas en forma de ladrillos que se ensamblarán. La idea es también proteger a los astronautas de la radiación”, explica Advenit Makaya.

También es importante señalar que el regolito lunar está compuesto por un 60% de metal y un 40% de oxígeno. Por tanto, este material es esencial para la supervivencia de los astronautas, ya que es una fuente inagotable de oxígeno si se extrae de él. La NASA tiene toda la intención de crear hogares en la Luna. De hecho, ha concedido 57,2 millones de dólares a ICON para desarrollar un sistema de impresión 3D destinado a la construcción de la superficie lunar.  En cuanto a la vida en Marte, habrá que probarlo con Mars Dune Alpha, el primer hogar marciano de la agencia espacial. Se ha colaborado con ICON en el desarrollo de este hogar, que se ha instalado en su centro espacial de Houston (Texas). El objetivo es alojar en esta casa a varios voluntarios durante un año. Se enfrentarán a las mismas condiciones que en el Planeta Rojo para que la experiencia sea aún más real. En última instancia, esta prueba serviría para determinar si es posible vivir en Marte. Dentro de varias décadas, deberíamos ser capaces de construir estructuras impresas en 3D directamente en la Luna, lo que supondría un pequeño paso para los humanos, pero un gran paso para la conquista del espacio.

Las viviendas 3D permitirán vivir en el espacio en un futuro lejano. (Créditos: ICON)

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*Créditos foto de portada: SEArch+

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