La stampa 3D nella produzione di razzi spaziali

Dallo sbarco sulla Luna nel 1969, l’umanità non ha mai smesso di raggiungere le stelle. Ciò che è cambiato, tuttavia, sono i mezzi per arrivarci. Dall’Apollo 11, i razzi sono cambiati significativamente: l’innovazione è la chiave e negli ultimi anni la produzione additiva ha iniziato a giocare un ruolo importante nell’aerospaziale. Sono sempre più numerosi i razzi stampati in 3D, sia in fase di sviluppo che già inviati nello spazio. Nel seguente elenco (in ordine sparso), abbiamo dato un’occhiata ad alcuni dei progetti più interessanti dell’uso della stampa 3D nella produzione di razzi: da razzi completamente stampati in 3D, ai motori e ad altre parti realizzate e ottimizzate con la produzione additiva.

Agnibaan di Angikul Cosmos

Agnibaan è uno dei più recenti progetti di razzi stampati in 3D e proviene direttamente da Agnikul Cosmos, un produttore aerospaziale indiano che crede che andare nello spazio debba essere alla portata di tutti. È per questo motivo che l’azienda si è rivolta alla stampa 3D. L’Agnibaan (che in sanscrito significa “freccia di fuoco”) è il primo razzo al mondo con un motore stampato in 3D in un unico pezzo, anche se Agnikul non ha annunciato quali tecnologie siano state utilizzate per il progetto. Il successo del lancio di Agnibaan, avvenuto il 30 maggio alle 7:15, segna un enorme passo avanti per la produzione additiva nell’industria spaziale indiana.

Crediti: Agnikul Cosmos

Il motore a razzo E-2 di Launcher

Launcher è un’azienda fondata nel 2017 che ha lavorato in collaborazione con l’US Space Force, l’US Air Force e la NASA per sviluppare razzi ad alte prestazioni e veicoli di trasferimento orbitale. Integrando una tecnologia di propulsione liquida all’avanguardia e utilizzando la stampa 3D, ha ideato il motore a razzo liquido E-2. Si tratta di un motore a combustione interna con una camera di combustione realizzata in una lega di rame-cromo-zirconio, che riduce i costi e la dipendenza dalle catene di approvvigionamento. Launcher è la prima azienda nel settore dei veicoli di lancio a utilizzare leghe di rame stampate in 3D per produrre la camera di combustione di un motore a razzo. La camera di combustione è inoltre dotata di canali di raffreddamento integrati per aumentare l’efficienza termica. Insieme ad AMCM, Launcher ha sviluppato la stampante 3D AMCM M 4K, che è stata poi utilizzata per stampare la camera di combustione. L’iniettore coassiale del motore E-2 è stato prodotto su una stampante 3D Velo3D Sapphire. Nell’aprile del 2022, il motore E-2 stampato in 3D ha raggiunto la piena spinta durante i test presso il Centro Spaziale Stennis della NASA e Launcher ha annunciato il completamento con successo del test.

Crediti fotografici: Launcher

Ariane 6, il razzo europeo stampato in 3D

ArianeGroup è una joint venture tra Airbus Group e Safran. Con l’Ariane 6, ArianeGroup ha prodotto l’ultimo lanciatore heavy-lift europeo, che ha effettuato con successo il lancio inaugurale nel luglio 2024. L’Ariane 6 ha un design flessibile e può trasportare carichi molto grandi. ArianeGroup ha utilizzato anche la stampa 3D industriale per produrre l’Ariane 6. Numerosi componenti del motore sono stati prodotti additivamente in questo modo, il che ha portato a una riduzione dei costi e a minimizzare i cicli di produzione. La camera di combustione è stata sviluppata e prodotta in Germania. L’involucro del rivestimento è stato stampato con un processo di spruzzatura a freddo e la testa di iniezione monoblocco è stata stampata con un processo di sinterizzazione laser. La testa di iniezione con tutti i suoi elementi di iniezione è stata prodotta da EOS.

Crediti fotografici: ArianeGroup

Skyroot Aerospace e il suo motore a razzo stampato in 3D

Fondata nel 2018, l’azienda indiana Skyroot Aerospace si è posta l’obiettivo di aprire lo spazio a tutti offrendo lanciatori spaziali veloci, precisi ed economici. Ha sviluppato diversi modelli della gamma Vikram. Ma ciò che ci interessa di più sono i motori a razzo. Chiamati Dhawan, sono stampati in 3D. Sono motori criogenici che utilizzano gas naturale liquido e ossigeno liquido. Entrambi i propellenti richiedono temperature inferiori a -150°C per lo stoccaggio e il funzionamento. Sia per il Dhawan-I che per la seconda versione è stata scelta la produzione additiva in metallo. Entrambi i motori sono stati testati con successo. Il motore Dhawan-II sarà installato nel razzo Vikram-II, il cui lancio è previsto per la fine dell’anno.

Il motore Hadley stampato in 3D da Ursa Major

Ursa Major è una startup americana che si è fatta notare per il suo lavoro sui razzi stampati in 3D. La notizia più recente è che nel marzo 2024 l’azienda ha annunciato che il suo motore Hadley, parzialmente stampato in 3D, ha spiccato il volo con successo, raggiungendo Mach 5. Sebbene non sia chiaro quali tecnologie o materiali siano stati utilizzati esattamente per la creazione del motore Hadley, sappiamo che la stampa 3D è stata una parte importante e che probabilmente è stata realizzata con la stampa 3D di rame e metallo, probabilmente con la fusione laser a letto di polvere grazie al lavoro svolto dall’azienda in passato con EOS. Un’enorme pietra miliare nell’uso della stampa 3D per creare motori per il settore spaziale privato!

Un test a caldo del motore Hadley (foto: Ursa Major)

Il motore a razzo a detonazione rotante (RDRE) della NASA

In qualità di istituzione leader nel settore dei viaggi spaziali e della scienza del volo, la NASA stabilisce costantemente nuovi standard nella tecnologia di propulsione. Un esempio recente è il fatto che la NASA ha prodotto il primo motore a razzo a detonazione rotante (o RDRE – Rotating Detonation Rocket Engine) a grandezza naturale utilizzando la stampa 3D. In futuro, il motore potrebbe ridefinire la progettazione dei sistemi di propulsione. L’RDRE utilizza un concetto di propulsione avanzato in cui la spinta è generata dal fenomeno della combustione supersonica. Ciò consente di ottenere prestazioni più elevate con un consumo di carburante inferiore. Il motore è stato realizzato mediante fusione laser a letto di polvere, utilizzando la lega di rame GRCop-42 sviluppata dalla NASA, che consente al motore di operare in condizioni estreme per lunghi periodi di tempo. Nell’autunno del 2023, la NASA ha condotto una serie di test presso il Marshall Space Flight Center per verificare che il motore potesse resistere alle temperature estreme e ai requisiti tipici, come l’integrazione di una sonda lambda. I test sono stati completati con successo e l’RDRE offre quindi il potenziale per supportare future missioni sulla Luna o su Marte.

EOS e Hyperganic stampano in 3D un motore a razzo Aerospike

Nel 2022, EOS e Hyperganic hanno fatto notizia utilizzando l’intelligenza artificiale e la stampa 3D per produrre un motore a razzo aerospike dal design particolarmente complesso. Hyperganic, un’azienda tedesca fondata nel 2015, ha reso possibile ricreare un design ispirato alla natura grazie al suo software di progettazione algoritmica. Il motore a razzo Aerospike colpisce quindi per il suo design insolito e molto complesso. In una prima fase, il motore è stato stampato in 3D da una lega di nichel utilizzando la macchina EOS M 400-4 e la lega NickelAlloy IN718. In una fase successiva, il motore è stato prodotto in rame su scala più ampia.

Crediti: EOS

AI e stampa 3D per il motore a razzo a propellente liquido TKL-5

Utilizzando l’ingegneria computazionale e la produzione additiva, LEAP 71, un’azienda con sede a Dubai, ha compiuto progressi significativi nella tecnologia spaziale. L’azienda ha sviluppato un motore a razzo utilizzando il software Noyron basato sull’intelligenza artificiale. L’obiettivo del progetto era dimostrare le capacità del software Noyron, che ha permesso di progettare e produrre il motore a razzo TKL-5 in modo completamente digitale e senza intervento umano. Grazie agli algoritmi di intelligenza artificiale, non è stata necessaria alcuna progettazione CAD, il che ha ottimizzato l’intera produzione del motore in sole due settimane. Il motore è stato prodotto da AMCM su una stampante 3D EOS M290 in rame, che in combinazione con il raffreddamento attivo ha dato vita a un motore potente. Il motore è stato poi post-elaborato dal team Race to Space dell’Università di Sheffield e testato con successo nei locali di Airborne Engineering. Qui ha raggiunto una spinta di 20.000 CV, che lo rende ideale per l’uso in razzi orbitali. LEAP 71 ritiene che questo motore a razzo stampato in 3D abbia il potenziale per accelerare il ritmo dell’innovazione nei viaggi spaziali e migliorare l’accessibilità dello spazio.

Crediti: LEAP 71

Il razzo Orbex Prime

L’azienda aerospaziale britannica Orbex ha sviluppato il razzo a basse emissioni di carbonio e ad alte prestazioni, Orbex Prime. Il razzo è stato realizzato utilizzando la stampante 3D per metallo SLM800 di Nikon SLM Solutions. Prime è alimentato da un carburante al 100% rinnovabile, il biopropano, capace di ridurre le emissioni di CO2 del 90%. Inoltre, il razzo è stato progettato per essere riutilizzabile incorporando un sistema di recupero, programmato anche per lasciare zero detriti in orbita attorno alla Terra. Prime è stato presentato pubblicamente per la prima volta nel 2022 nel Regno Unito.

Crediti foto: Orbex

Razzi stampati in 3D da Relativity Space

Chi non ha mai sentito parlare di Relativity Space? L’azienda californiana si è rapidamente fatta un nome sin dalla sua fondazione nel 2015, lavorando per raggiungere l’obiettivo di creare un razzo completamente stampato in 3D. E ci è quasi riuscita! Terran 1, il primo razzo dell’azienda, è stato lanciato con successo nel marzo 2023, anche se non ha raggiunto l’orbita. Questo razzo è stato stampato quasi interamente in 3D utilizzando il DED e la fusione laser a letto di polvere e al momento del lancio era la struttura metallica stampata in 3D più alta mai costruita. Ora il lavoro dell’azienda prosegue con il Terran R, che dovrebbe essere stampato in 3D al 90% e in grado di trasportare un carico utile 20 volte superiore rispetto al suo predecessore. Il Terran R sarà lanciato dal Complesso di lancio 16 della base spaziale di Cape Canaveral a partire dal 2026, volando dritto verso il futuro dell’esplorazione spaziale.

Un’immagine dell’aspetto del Terran R (foto: Relativity Space)

Navier, il motore realizzato con la produzione additiva

Latitude (ex Venture Orbital Systems) è una startup francese specializzata nella progettazione di micro lanciatori. Il suo primo modello è lo Zephyr, che misura 19 metri di lunghezza e 1,5 metri di diametro. È dotato di un motore fabbricato con la stampa 3D in metallo, più precisamente da LPBF. Chiamato Navier, è alto 45 centimetri e pesa 30 chili, con una spinta di 1,2 tonnellate. È stato prodotto in Inconel 718 su una macchina SLM 500 in pochi giorni. All’inizio del 2023, Latitude ha lanciato con successo il Navier, un ottimo risultato per la startup di Reims.

Crediti fotografici: Latitude

Il motore Rutherford di Rocket Lab

La startup californiana Rocket Lab, una società di aviazione privata, ha sviluppato il primo razzo a batteria al mondo, il razzo Electron, che ha completato con successo il suo primo lancio nel 2017 con il motore Rutherford stampato in 3D. Il motore prende il nome dallo scienziato neozelandese Ernest Rutherford e i componenti stampati in 3D includono la camera di spinta, due pompe, l’iniettore e le valvole principali del propellente. Per il primo volo, Rocket Lab ha utilizzato una finestra di lancio di dieci giorni per lanciare il razzo dalla penisola di Mahia in Nuova Zelanda. Il secondo volo, avvenuto nel 2018, è stato un volo spaziale orbitale. In seguito, l’azienda ha deciso di passare alla fase commerciale. L’uso della produzione additiva nella produzione del motore Rutherford ha permesso di risparmiare tempo e peso, un aspetto importante nel settore aerospaziale, e l’azienda vuole continuare a produrre razzi per il lancio di satelliti nello spazio.

Crediti: Rocket Lab

Una camera di combustione stampata in 3D

OPUS Aerospace è un’azienda francese specializzata nella progettazione di vettori e veicoli spaziali. Ha sviluppato due diversi lanciatori, Mesange e Sterne. Mesange servirà come test e aprirà la strada a Sterne. In entrambi i casi, il lanciatore incorpora il motore Torgos, la cui camera di combustione è stata realizzata con la stampa 3D del metallo in un’unica operazione. Il lancio di Mesange dalla Guyana francese è previsto per il 2024 e servirà a perfezionare il lanciatore Sterne.

Crediti fotografici: Opus Aerospace

Stoke Space stampa in 3D camere di combustione per razzi riutilizzabili

Con NOVA, l’azienda americana Stoke Space offre un razzo completamente riutilizzabile per voli giornalieri nello spazio. Per raggiungere questo obiettivo, l’azienda utilizza anche la stampa 3D. Stoke Space stampa camere di combustione in rame per poterle stampare rapidamente da un lato e per consentirne il riutilizzo dall’altro. La lega di rame delle camere di combustione è particolarmente conduttiva e può quindi essere riutilizzata. A causa dei canali di raffreddamento rigenerativi, le camere di combustione presentano collettori e cavità interne curve. Tuttavia, l’AM rende possibile l’implementazione di questo design complesso. L’azienda di Seattle sta testando i suoi sviluppi nella vicina Moses Lake.

Crediti fotografici: Spazio Stoke

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