La NASA studia il Laser Beam Welding per la produzione in orbita
La NASA ha esplorato le potenzialità della produzione additiva fin dalla fine degli anni Novanta. Inizialmente stampava in 3D con materiali plastici e nei primi anni 2000 ha iniziato a utilizzare il metallo per i prototipi. Nel 2010 la NASA ha iniziato a stampare in 3D i motori dei razzi. Ora sta testando la fattibilità dell’uso del Laser Beam Welding, che permetterebbe di utilizzare la produzione additiva nello spazio.
La NASA ha già effettuato saldature nello spazio, ma nella lontana missione Skylab del 1973. Con l’aumento della domanda di produzione spaziale, la NASA si sta rivolgendo nuovamente alla saldatura nello spazio, ma questa volta utilizzando il Laser Beam Welding. In particolare, il Marshall Space Flight Center della NASA a Huntsville, in Alabama, e l’Ohio State University di Columbus intendono simulare la produzione nello spazio con questa tecnologia. L’iniziativa, finanziata in parte da Marhsall, è durata oltre due anni e ha coinvolto studenti e professori della Ohio State e ingegneri di tutti i centri NASA.
Scienziati e ingegneri del Marshall Space Flight Center della NASA che hanno partecipato allo studio sulla tecnologia Laser Beam Welding nel mese di agosto. Da sinistra, Will Evans, Louise Littles, Emma Jaynes, Andrew O’Connor e Jeffrey Sowards. Non in foto: Zachary Courtright. (Crediti fotografici: NASA, Casey Coughlin)
Laser Beam Welding è un tipo di tecnologia a deposizione diretta di energia, spesso utilizzata per le riparazioni o per creare parti da zero. Il processo prevede la fusione di un materiale, in genere metallo con un laser, mentre viene depositato dall’ugello. Per la produzione spaziale, il Laser Beam Welding e altri processi affini possono essere utilizzati per le riparazioni, ma potrebbero anche costruire strutture troppo grandi per adattarsi agli attuali volumi del carico utile di lancio. La saldatura nello spazio potrebbe accelerare la costruzione di grandi habitat nell’orbita terrestre bassa, di strutture di veicoli spaziali per la sicurezza degli astronauti e altro ancora.
Secondo un articolo pubblicato dalla NASA, il progetto tra Marshall e Ohio State mira a comprendere i processi fisici della saldatura sulla superficie lunare. Ciò include lo studio degli effetti del Laser Beam Welding in un ambiente combinato di vuoto e gravità ridotta. Comprendendo come la tecnologia potrebbe funzionare in un ambiente del genere, il team spera di aumentare le capacità di produzione nello spazio. Ciò consente di assemblare strutture di grandi dimensioni o di effettuare riparazioni sulla Luna.
Andrew O’Connor, scienziato dei materiali del Marshall, è il responsabile tecnico della NASA per il progetto. Sta anche aiutando a coordinare la collaborazione tra la NASA e l’Ohio State. O’Connor ha spiegato la svolta verso la saldatura: “Per molto tempo abbiamo usato elementi di fissaggio, rivetti o altri mezzi meccanici per tenere insieme le strutture che assembliamo nello spazio. Ma stiamo iniziando a capire che se vogliamo davvero giunti forti e se vogliamo che le strutture rimangano insieme quando vengono assemblate sulla superficie lunare, potremmo aver bisogno della saldatura nello spazio”.
I ricercatori hanno quindi testato la saldatura in condizioni spaziali simulate, come la temperatura e il trasferimento di calore nel vuoto, la dimensione e la forma dell’area fusa sotto il raggio laser, l’aspetto della sezione trasversale della saldatura dopo la solidificazione e il cambiamento delle proprietà meccaniche per le saldature eseguite in condizioni ambientali come la superficie lunare. Secondo O’Connor, grazie a una combinazione di esperimenti e modelli al computer, il team è in grado di prevedere la saldatura nello spazio mentre è ancora a terra.
Il team di ricerca nel velivolo a gravità zero (Foto: Tasha Dixon)
Il Welding Engineering and Multidisciplinary Capstone Programs dell’Ohio State e il Materials and Processes Laboratory del Marshall hanno eseguito una saldatura con laser in fibra ad alta potenza nell’agosto 2024, a bordo di un aereo commerciale che simula la gravità ridotta. Eseguendo manovre di volo parabolico, l’aereo è stato in grado di creare circa 20 secondi di gravità ridotta. Poi, i membri del team hanno eseguito esperimenti di saldatura laser in un ambiente simulato sia in orbita terrestre bassa che in gravità lunare. Il team ha raccolto dati da una rete di sensori durante i test, e l’analisi di questi dati li aiuterà a capire gli effetti degli ambienti spaziali sul processo di saldatura e sul materiale saldato.
Will McAuley, uno studente di ingegneria della saldatura dell’Ohio State, ha così commentato il successo della missione. “Durante i voli abbiamo completato con successo 69 saldature su 70 in condizioni di microgravità e gravità lunare, realizzando una campagna di volo pienamente riuscita”.
Oltre a questi successi, il lavoro di ricerca sulla tecnica Laser Beam Welding sarà utile per capire come questa tecnologia avviene sulla Terra, migliorando i processi di saldatura per i manufatti. Per saperne di più sul progetto di Marshall con l’Ohio State, clicca qui.
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*In copertina: il team monitora la saldatura a raggio laser in una camera a vuoto durante un volo parabolico del Boeing 727. Da sinistra, Andrew O’Connor, scienziato dei materiali Marshall e responsabile tecnico della NASA per il progetto, Louise Littles, scienziato dei materiali Marshall e Aaron Brimmer, studente laureato OSU. Crediti foto: Tasha Dixon
