Từ thế kỷ 20, loài người đã bị cuốn hút bởi việc khám phá không gian và tìm hiểu những gì nằm ngoài Trái đất. Các tổ chức lớn như NASA và ESA luôn đi đầu trong lĩnh vực thám hiểm không gian, và một nhân tố quan trọng khác trong cuộc chinh phục này chính là công nghệ in 3D. Với khả năng sản xuất nhanh chóng các bộ phận phức tạp với chi phí thấp, công nghệ thiết kế này ngày càng trở nên phổ biến trong các công ty. Nó giúp tạo ra nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như vệ tinh, bộ đồ du hành vũ trụ và các bộ phận tên lửa. Trên thực tế, theo SmarTech, giá trị thị trường của ngành công nghiệp sản xuất bồi đắp trong không gian tư nhân dự kiến sẽ đạt 2,1 tỷ euro vào năm 2026. Điều này đặt ra câu hỏi: Công nghệ in 3D có thể giúp con người chinh phục không gian như thế nào?
Ban đầu, công nghệ in 3D chủ yếu được sử dụng để tạo mẫu nhanh trong các ngành y tế, ô tô và hàng không vũ trụ. Tuy nhiên, khi công nghệ này trở nên phổ biến hơn, nó ngày càng được sử dụng nhiều hơn cho việc sản xuất các bộ phận hoàn chỉnh. Công nghệ sản xuất bồi đắp kim loại, đặc biệt là L-PBF, đã cho phép sản xuất nhiều loại kim loại với các đặc tính và độ bền phù hợp với điều kiện khắc nghiệt trong không gian. Các công nghệ in 3D khác, như DED, phun chất kết dính và quy trình đùn, cũng được sử dụng trong sản xuất các bộ phận hàng không vũ trụ. Trong những năm gần đây, các mô hình kinh doanh mới đã xuất hiện, với các công ty như Made in Space và Relativity Space sử dụng công nghệ in 3D để thiết kế các bộ phận hàng không vũ trụ.
Công ty Relativity Space đang phát triển máy in 3D cho ngành hàng không vũ trụ.
Công nghệ in 3D trong ngành hàng không vũ trụ
Giờ chúng ta đã tìm hiểu sơ lược về các công nghệ này, hãy cùng xem xét kỹ hơn các công nghệ in 3D khác nhau được sử dụng trong ngành hàng không vũ trụ. Trước hết, cần lưu ý rằng công nghệ sản xuất bồi đắp kim loại, đặc biệt là L-PBF, là công nghệ được sử dụng rộng rãi nhất trong lĩnh vực này. Quá trình này sử dụng năng lượng laser để nung chảy bột kim loại từng lớp một. Nó đặc biệt phù hợp để sản xuất các bộ phận nhỏ, phức tạp, chính xác và được tùy chỉnh. Các nhà sản xuất hàng không vũ trụ cũng có thể hưởng lợi từ DED, công nghệ này sử dụng phương pháp lắng đọng dây kim loại hoặc bột, chủ yếu được sử dụng để sửa chữa, phủ lớp hoặc sản xuất các bộ phận kim loại hoặc gốm sứ theo yêu cầu.
Ngược lại, công nghệ in phun chất kết dính, mặc dù có ưu điểm về tốc độ sản xuất và chi phí thấp, nhưng không phù hợp để sản xuất các bộ phận cơ khí hiệu suất cao vì nó đòi hỏi các bước gia cường sau in, làm tăng thời gian sản xuất sản phẩm cuối cùng. Công nghệ đùn cũng hiệu quả trong môi trường không gian. Cần lưu ý rằng không phải tất cả các polyme đều phù hợp để sử dụng trong không gian, nhưng các loại nhựa hiệu suất cao như PEEK có thể thay thế một số bộ phận kim loại nhờ độ bền của chúng. Tuy nhiên, quy trình in 3D này vẫn chưa được sử dụng rộng rãi, nhưng nó có thể trở thành một tài sản quý giá cho việc khám phá không gian bằng cách sử dụng các vật liệu mới.
Công nghệ nung chảy bột bằng laser (L-PBF) là một công nghệ được sử dụng rộng rãi trong in 3D cho ngành hàng không vũ trụ.
Tiềm năng của vật liệu vũ trụ
Ngành công nghiệp hàng không vũ trụ đã và đang khám phá các vật liệu mới thông qua công nghệ in 3D, đề xuất những giải pháp thay thế sáng tạo có thể làm thay đổi thị trường. Trong khi các kim loại như titan, nhôm và hợp kim niken-crom luôn là trọng tâm chính, một vật liệu mới có thể sớm chiếm vị trí nổi bật: đất đá Mặt Trăng (Lunar regolith). Đất đá Mặt Trăng là một lớp bụi bao phủ bề mặt Mặt Trăng, và Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA) đã chứng minh lợi ích của việc kết hợp nó với công nghệ in 3D. Advenit Makaya, một kỹ sư sản xuất cấp cao của ESA, mô tả đất đá Mặt Trăng tương tự như bê tông, chủ yếu được tạo thành từ silicon và các nguyên tố hóa học khác như sắt, magiê, nhôm và oxy. ESA đã hợp tác với Lithoz để sản xuất các bộ phận chức năng nhỏ như ốc vít và bánh răng bằng cách sử dụng đất đá Mặt Trăng mô phỏng với các đặc tính tương tự như bụi Mặt Trăng thật.
Hầu hết các quy trình sản xuất đất đá Mặt Trăng đều sử dụng nhiệt, do đó tương thích với các công nghệ như SLS và các giải pháp in liên kết bột. ESA cũng đang sử dụng công nghệ D-Shape với mục tiêu sản xuất các bộ phận rắn bằng cách trộn magie clorua với các vật liệu khác và kết hợp với magie oxit có trong mẫu mô phỏng. Một trong những ưu điểm đáng kể của vật liệu Mặt Trăng này là độ phân giải in cao hơn, cho phép sản xuất các bộ phận với độ chính xác cao nhất. Tính năng này có thể trở thành lợi thế chính trong việc mở rộng phạm vi ứng dụng và sản xuất các bộ phận cho các căn cứ Mặt Trăng trong tương lai.
Đất đá vụn trên Mặt Trăng có ở khắp mọi nơi
Ngoài ra còn có đất đá bề mặt sao Hỏa (Martian regolith), là vật liệu nằm dưới bề mặt sao Hỏa. Hiện tại, các cơ quan vũ trụ quốc tế chưa thể thu hồi loại vật liệu này, nhưng điều đó không ngăn cản các nhà khoa học nghiên cứu tiềm năng của nó trong một số dự án hàng không vũ trụ. Các nhà nghiên cứu đang sử dụng các mẫu mô phỏng của vật liệu này và kết hợp nó với hợp kim titan để sản xuất các công cụ hoặc linh kiện tên lửa. Kết quả ban đầu cho thấy vật liệu này sẽ có độ bền cao hơn và bảo vệ thiết bị khỏi bị gỉ sét và hư hại do bức xạ. Mặc dù hai loại vật liệu này có các đặc tính tương tự, nhưng đất đá bề mặt Mặt Trăng vẫn là vật liệu được thử nghiệm nhiều nhất. Một lợi thế khác là các vật liệu này có thể được sản xuất tại chỗ mà không cần vận chuyển nguyên liệu thô từ Trái Đất. Thêm vào đó, đất đá bề mặt là một nguồn vật liệu vô tận, giúp ngăn ngừa tình trạng khan hiếm.
Ứng dụng công nghệ in 3D trong ngành hàng không vũ trụ
Ứng dụng của công nghệ in 3D trong ngành hàng không vũ trụ có thể khác nhau tùy thuộc vào quy trình cụ thể được sử dụng. Ví dụ, công nghệ nung chảy bột bằng laser (L-PBF) có thể được sử dụng để chế tạo các bộ phận phức tạp có thời gian sử dụng ngắn, chẳng hạn như hệ thống dụng cụ hoặc phụ tùng thay thế cho tàu vũ trụ. Launcher, một công ty khởi nghiệp có trụ sở tại California, đã sử dụng công nghệ in 3D sapphire-kim loại của Velo3D để nâng cấp động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng E-2 của mình. Quy trình của nhà sản xuất được sử dụng để tạo ra tuabin cảm ứng, đóng vai trò quan trọng trong việc tăng tốc và đẩy LOX (oxy lỏng) vào buồng đốt. Tuabin và cảm biến được in bằng công nghệ in 3D và sau đó được lắp ráp. Thành phần cải tiến này cung cấp cho tên lửa lưu lượng chất lỏng lớn hơn và lực đẩy mạnh hơn, trở thành một phần thiết yếu của động cơ.
Velo3D đã đóng góp vào việc sử dụng công nghệ PBF trong sản xuất động cơ tên lửa nhiên liệu lỏng E-2.
Sản xuất bồi đắp có ứng dụng rộng rãi, bao gồm cả việc sản xuất các cấu trúc nhỏ và lớn. Ví dụ, các công nghệ in 3D như giải pháp Stargate của Relativity Space có thể được sử dụng để sản xuất các bộ phận lớn như thùng nhiên liệu tên lửa và cánh quạt. Relativity Space đã chứng minh điều này thông qua việc sản xuất thành công Terran 1, một tên lửa gần như được in 3D hoàn toàn, bao gồm cả thùng nhiên liệu dài vài mét. Lần phóng đầu tiên vào ngày 23 tháng 3 năm 2023 đã chứng minh hiệu quả và độ tin cậy của các quy trình sản xuất bồi đắp.
Công nghệ in 3D dựa trên phương pháp đùn cũng cho phép sản xuất các bộ phận bằng vật liệu hiệu suất cao như PEEK. Các bộ phận làm từ loại nhựa nhiệt dẻo này đã được thử nghiệm trong không gian và được lắp đặt trên tàu thám hiểm Rashid trong khuôn khổ sứ mệnh lên Mặt Trăng của UAE. Mục đích của thử nghiệm này là để đánh giá khả năng chịu đựng của PEEK đối với các điều kiện khắc nghiệt trên Mặt Trăng. Nếu thành công, PEEK có thể thay thế các bộ phận kim loại trong trường hợp các bộ phận kim loại bị hỏng hoặc vật liệu khan hiếm. Ngoài ra, đặc tính nhẹ của PEEK có thể có giá trị trong thám hiểm không gian.
Công nghệ in 3D có thể được sử dụng để sản xuất nhiều loại linh kiện cho ngành công nghiệp hàng không vũ trụ.
Ưu điểm của công nghệ in 3D trong ngành hàng không vũ trụ
Những ưu điểm của công nghệ in 3D trong ngành hàng không vũ trụ bao gồm việc cải thiện hình thức cuối cùng của các bộ phận so với các kỹ thuật chế tạo truyền thống. Johannes Homa, Giám đốc điều hành của nhà sản xuất máy in 3D Lithoz của Áo, cho biết: "Công nghệ này giúp các bộ phận nhẹ hơn." Nhờ sự tự do trong thiết kế, các sản phẩm in 3D hiệu quả hơn và yêu cầu ít tài nguyên hơn. Điều này có tác động tích cực đến tác động môi trường của quá trình sản xuất các bộ phận. Relativity Space đã chứng minh rằng sản xuất bồi đắp có thể giảm đáng kể số lượng linh kiện cần thiết để chế tạo tàu vũ trụ. Đối với tên lửa Terran 1, đã tiết kiệm được 100 bộ phận. Ngoài ra, công nghệ này còn có những lợi thế đáng kể về tốc độ sản xuất, với việc hoàn thành tên lửa trong vòng chưa đầy 60 ngày. Ngược lại, việc chế tạo một tên lửa bằng các phương pháp truyền thống có thể mất vài năm.
Về quản lý tài nguyên, in 3D có thể tiết kiệm vật liệu và trong một số trường hợp, thậm chí cho phép tái chế chất thải. Cuối cùng, sản xuất bồi đắp có thể trở thành một lợi thế quý giá để giảm trọng lượng cất cánh của tên lửa. Mục tiêu là tối đa hóa việc sử dụng vật liệu tại chỗ, chẳng hạn như đất đá trên bề mặt hành tinh, và giảm thiểu việc vận chuyển vật liệu bên trong tàu vũ trụ. Điều này cho phép chỉ mang theo một máy in 3D, có thể tạo ra mọi thứ ngay tại chỗ sau chuyến đi.
Công ty Made in Space đã gửi một trong những máy in 3D của họ lên vũ trụ để thử nghiệm.
Những hạn chế của công nghệ in 3D trong không gian
Mặc dù công nghệ in 3D có nhiều ưu điểm, nhưng nó vẫn còn tương đối mới và có những hạn chế. Advenit Makaya cho biết: "Một trong những vấn đề chính của sản xuất bồi đắp trong ngành hàng không vũ trụ là kiểm soát và xác nhận quy trình." Các nhà sản xuất có thể vào phòng thí nghiệm và kiểm tra độ bền, độ tin cậy và cấu trúc vi mô của từng bộ phận trước khi xác nhận, một quy trình được gọi là kiểm tra không phá hủy (NDT). Tuy nhiên, điều này có thể tốn thời gian và chi phí, vì vậy mục tiêu cuối cùng là giảm thiểu nhu cầu thực hiện các thử nghiệm này. Gần đây, NASA đã thành lập một trung tâm để giải quyết vấn đề này, tập trung vào việc chứng nhận nhanh chóng các bộ phận kim loại được sản xuất bằng công nghệ sản xuất bồi đắp. Trung tâm này đặt mục tiêu sử dụng mô hình kỹ thuật số (digital twin) để cải thiện các mô hình máy tính của sản phẩm, giúp các kỹ sư hiểu rõ hơn về hiệu suất và giới hạn của các bộ phận, bao gồm cả áp suất mà chúng có thể chịu được trước khi bị gãy. Bằng cách đó, trung tâm hy vọng sẽ giúp thúc đẩy ứng dụng in 3D trong ngành hàng không vũ trụ, làm cho nó hiệu quả hơn trong việc cạnh tranh với các kỹ thuật sản xuất truyền thống.
Các bộ phận này đã trải qua quá trình kiểm tra độ tin cậy và độ bền toàn diện.
Mặt khác, quy trình kiểm định sẽ khác nếu việc sản xuất được thực hiện trong không gian. Advenit Makaya của ESA giải thích: "Có một kỹ thuật liên quan đến việc phân tích các bộ phận trong quá trình in." Phương pháp này giúp xác định sản phẩm in nào phù hợp và sản phẩm nào không. Ngoài ra, còn có một hệ thống tự sửa lỗi dành cho máy in 3D dùng trong không gian và đang được thử nghiệm trên các máy móc bằng kim loại. Hệ thống này có thể xác định các lỗi tiềm ẩn trong quá trình sản xuất và tự động điều chỉnh các thông số để khắc phục mọi khiếm khuyết trong bộ phận. Hai hệ thống này được kỳ vọng sẽ cải thiện độ tin cậy của các sản phẩm in trong không gian.
Để kiểm định các giải pháp in 3D, NASA và ESA đã thiết lập các tiêu chuẩn. Các tiêu chuẩn này bao gồm một loạt các thử nghiệm để xác định độ tin cậy của các bộ phận. Chúng xem xét công nghệ nung chảy bột và đang cập nhật chúng cho các quy trình khác. Tuy nhiên, nhiều nhà sản xuất lớn trong ngành công nghiệp vật liệu, như Arkema, BASF, Dupont và Sabic, cũng cung cấp khả năng truy xuất nguồn gốc này.
Sống trong không gian?
Với sự tiến bộ của công nghệ in 3D, chúng ta đã chứng kiến nhiều dự án thành công trên Trái đất sử dụng công nghệ này để xây nhà. Điều này khiến chúng ta tự hỏi liệu quy trình này có thể được sử dụng trong tương lai gần hoặc xa để xây dựng các công trình có thể ở được trong không gian hay không. Mặc dù việc sinh sống trong không gian hiện nay là không thực tế, nhưng việc xây nhà, đặc biệt là trên Mặt Trăng, có thể mang lại lợi ích cho các phi hành gia trong việc thực hiện các nhiệm vụ không gian. Mục tiêu của Cơ quan Vũ trụ Châu Âu (ESA) là xây dựng các mái vòm trên Mặt Trăng bằng cách sử dụng đất Mặt Trăng, có thể được dùng để xây dựng tường hoặc gạch nhằm bảo vệ các phi hành gia khỏi bức xạ. Theo Advenit Makaya từ ESA, đất Mặt Trăng bao gồm khoảng 60% kim loại và 40% oxy và là vật liệu thiết yếu cho sự sống còn của phi hành gia vì nó có thể cung cấp nguồn oxy vô tận nếu được chiết xuất từ vật liệu này.
NASA đã trao khoản tài trợ 57,2 triệu đô la cho ICON để phát triển hệ thống in 3D xây dựng các công trình trên bề mặt Mặt Trăng và cũng đang hợp tác với công ty này để tạo ra mô hình sinh sống Mars Dune Alpha. Mục tiêu là thử nghiệm điều kiện sống trên sao Hỏa bằng cách cho các tình nguyện viên sống trong mô hình này trong một năm, mô phỏng các điều kiện trên Hành tinh Đỏ. Những nỗ lực này thể hiện các bước quan trọng hướng tới việc trực tiếp xây dựng các công trình in 3D trên Mặt Trăng và sao Hỏa, điều này cuối cùng có thể mở đường cho việc con người định cư trong không gian.
Trong tương lai xa, những ngôi nhà này có thể giúp sự sống tồn tại trong không gian.
Thời gian đăng bài: 14 tháng 6 năm 2023
