Istraživači sa Sveučilišta Iowa uspješno su testirali novi pristup 3D printanoj elektronici u uvjetima nulte gravitacije.

Umjesto gravitacije, tehnologija tima učinkovito koristi električnu silu za print vodljivih boja na staklenu bazu sloj po sloj, na način koji omogućuje stvaranje složenih sklopova. Radeći s NASA-om, inženjeri imaju za cilj razviti proces za proizvodnju senzora u svemiru, koji smanjuje oslanjanje astronauta na nošenje rezervnih dijelova i čini letove na duge udaljenosti izvedivijim.

Astronaut napušta Zemlju. Izvor: freepik

“Za buduće NASA-ine misije, misije istraživanja svemira, ne žele samo slati ljude tamo i natrag, već i dugoročne objekte”, objašnjava Hantang Qin, glavni istraživač tima. “To je ono što pokušavamo učiniti. Mi gradimo printer, tako da printer može dugo ostati na Međunarodnoj svemirskoj stanici (ISS) ili na Marsu.”

 

Popravak elektronike u hodu

U svemirskim letjelicama nije neuobičajeno da se elektronička oprema poput senzora pokvari, što uzrokuje probleme s potencijalom da ugroze njihove misije. U slučaju senzora vlažnosti na ISS-u, na primjer, oni su kritični za sigurnost njegove posade, a ako uređaji pokvare rad, potrebno ih je hitno zamijeniti ili popraviti.

Iako zamjene za otpremu u bazu mogu zvučati kao očito rješenje ovog problema, to čini letjelicu raspoređenu tijekom misija opskrbe težom, što zauzvrat čini operaciju znatno skupljom za obavljanje.

Kako bi to zaobišli, skupina istraživača poznata kao No-Gravity Ink Jet Printing for Aeronautics and Space ili tim ‘NINJAS’ osmislila je alternativu. Razvijen u QIN-ovom Labaratoriju za fleksibilnu elektroniku i aditivni ispis, pristup inženjera uključuje korištenje elektro hidrodinamičkog mehanizma za izradu dijelova od novih patentiranih srebrnih i barij titanati tinti.

Prema timu, ovi materijali su prikladni za proizvodnju elektronike, jer omogućuju ultra-stabilan ispis visoke razlučivosti, a uz daljnje istraživanje i razvoj mogli bi omogućiti stvaranje nove klase fleksibilnih senzora, meke robotike, sklopivih ploča, poluvodiča i drugih mikrouređaja, kako u svemiru tako i ovdje.

Kao prvi korak prema testiranju svog pristupa, Qin i njegov tim izradili su prototip 3D printera krajem 2021. godine, dok je kolega Iowa Shan Jiang radio iz svog labaratorija kako bi usavršio svoj set vodljivih tinti prije paraboličkih testova leta.

 

Hantang Qin i Shan Jiang, koji vode projekt Sveučilišta Iowa State. Fotografija sa Sveučilišta Iowa State.

“Glavni cilj našeg eksperimenta bio je isprintati uzorak vodljivog kruga u mikrogravitaciji,” dodao je Qin. “Testirali smo više vrsta tinte s različitim svojstvima materijala, kao što su gustoća, površinska napetost i permitivnost, dok smo točno odredili optimalne radne uvjete uključujući napon, frekvenciju pulsa i orijentaciju mlaznice.”

 

NINJAS eksperiment nulte gravitacije

Nakon što je njihov prototip bio spreman za testiranje, posada NINJAS-a odvezla ga je u Fort Lauderdale na Floridi, gdje je prebačen obnovljenim zrakoplovom u kojem su uvjeti simulirali one u svemiru. Zrakoplov je to uspio postići kontinuiranim letenjem gore-dolje pod kutom od 45º, što je omogućilo timu i njihovim eksperimentima da na samom vrhu ove krivulje iskuse kratka razdoblja bestežinskog stanja u mikrogravitaciji.

Međutim, dok inženjeri priznaju da je testiranje paraboličkog leta bio jedini način procjene performansi njihovog 3D printera bezh odlaska u svemir, naglašavaju da upravljanje sustavom u nul-gravitaciji samo po sebi nije bio podvig i opisali su ga kao “skakanje sa zgrade visoke 9 000 metara za 20-30 sekundi.

 

Astronaut za vrijeme rada. Izvor: freepik

Okruženje nulte gravitacije nije bilo tako teško prilagoditi osjećaju,” objasnio je Matthew Marander, jedan od studenata iz države Iowa koji su letjeli u sklopu projekta. “Osjećao sam da je teže nositi se s osjećajem brzog prijelaza između hiper gravitacije, normalne gravitacije i nulte gravitacije. Prebacivanje između svih njih tako brzo može biti pomalo dezorijentirajući.

Što se tiče performansi printera, Jiang je zaključio da je prvi dan trodnevnog testa bio iskustvo učenja za sve uključene, ali tijekom drugog i trećeg testa tim je mogao 3D isprintati “lijepe uzorke“. Nakon njihovog početnog uspjeha, istraživači su sada udvostručili svoja istraživanja, razvijajući nadogradnje za sustav i materijale prije drugog testa u svibnju 2022. godine. 

Kroz svoj projekt vrijedan 420.000 dolara, Jiang je dodao da tim u konačnici “želi pomoći NASA-i da razvije platformu koja može uvelike proširiti materijale i uređaje koje mogu napraviti u svemiru,” te su stoga postavili dugoročni cilji da smisle novu glavu mlaznice za ISS printer prije 2024. godine.

 

3D print u orbiti na djelu

NASA nastavlja ulagati značajnu količinu vremena, truda i novca u provođenje eksperimenata 3D ispisa u niskoj orbiti Zemlje (LEO), s najperspektivnijim tehnologijama koje će se testirati na ISS-u. Samo prošle godine, konzorcij Europske svemirske agencije osmislio je 3D printer FFF u ranoj fazi, za koji se tvrdi da je sposoban stvoriti dijelove ‘neograničene duljine’, a koji je bio namijenjen ISS-u.

U prošlosti su tvrtke poput Made in Space (sada Redwire) su također pomogle u izgradnji sustava za ISS, a tvrtka je igrala ključnu ulogu u razvoju postrojenja za recikliranje plastike za 3D printane dijelove u 2019. godini. Poznato kao ‘ Braskem Recycler,’ stroj pretvara plastični otpad ISS-a u sirovinu, omogućujući mu da smanji svoje oslanjanje na misije opskrbe i uspostavi proizvodnu postavu gotovo zatvorene petlje.

 

3D printer. Izvor: freepik

Daleko od ISS-a, istraživači sa Sveučilišta primijenjenih znanosti u Münchenu također su razvili satelitski 3D printer u orbiti, koji bi mogao stvoriti solarne panele ili antene u svemirskom vakuumu. Slično NINJAS programu države Iowa, projekt je pokrenut s ciljem smanjenja nepotrebne težine letjelica i omogućavanja im da nose važniji teret poput goriva.