»Recycling ist entscheidend«

Interview: Thomas Masuch; Fotos: NASA — 30.05.2019

Die NASA hat in ihrer Geschichte einige der technologisch anspruchsvollsten Projekte der Menschheit erfolgreich umgesetzt. Seit über 30 Jahren beschäftigen sich die NASA-Wissenschaftler und Ingenieure auch mit 3D-Druck. Wir hatten die Gelegenheit, mit John Vickers, Principal Technologist im Space Technology Mission Directorate der NASA, darüber zu sprechen, welche Rolle Additive Fertigung (AM) bei der NASA und ihren Missionen spielt.

In den zehn NASA-Centern werden zahlreiche Missionen und Projekte vorbereitet und umgesetzt. Wie und wo kommt dabei AM zum Einsatz?

VICKERS: Wir beschäftigen uns mit dem 3D-Druck seit der Einführung in den späten 80-er Jahren und verfügen über einige der ersten Beta-Maschinen für die Stereolithografie. Seitdem verfolgen wir die Branche sehr genau, denn wir sehen einen großen Nutzen für unsere Arbeit. Wir sind weiterhin auf dem neuesten Stand der Technik und versuchen, die neuesten Maschinen zu erwerben, sobald sie auf den Markt kommen. Wir kooperieren mit Partnern auf der gesamten Welt. Zusammen mit der internationalen Industrie und Forschung bilden wir ein Umfeld, das es uns ermöglicht, die Entwicklung der AM-Technologie für NASA-Anwendungen weiter voranzutreiben.


Das klingt, als spiele AM schon eine sehr wichtige Rolle ...

VICKERS: AM ist sicherlich eine der wichtigsten Bausteine bei der Entwicklung fortschrittlicher Fertigungsprozesse. Wir haben Hunderte von AM-Aktivitäten innerhalb unserer gesamten Organisation und an allen zehn NASA-Zentren. Sie umfassen viele der sogenannten Technology Readiness Levels (TRL) – ein NASA-Messsystem zur Beurteilung des Reifegrads einer bestimmten Technologie – von der Grundlagenforschung bis zur Prüfung eines Systems in einer relevanten Umgebung, kurz TRL 6.

»Für den 3D-Druck im Weltall haben wir viele Konzepte.«

Bei der NASA gibt es neun TRL-Stufen. Was folgt auf Stufe 6?

VICKERS: Bei der Technologieentwicklung der NASA, bei der wir Hand in Hand mit der Industrie zusammenarbeiten, endet die Entwicklung üblicherweise bei TRL 6. Die Produktionsteile kommen in der Regel von unseren Zuliefererbetrieben. Wir arbeiten kontinuierlich und eng mit ihnen zusammen, aber im Allgemeinen machen wir diese Arbeit nicht intern.


Für welche Anwendungen setzen Sie AM ein? Können Sie uns einige Beispiele nennen?

VICKERS: Wir decken das gesamte Technologiespektrum ab. NASA-Missionen sind komplex und 3D-Druckteile können für die Durchführung einer Mission kritisch sein. Es ist wichtig, alle Anforderungen an die Bauteile zu verstehen, die wir im Rahmen von Forschung und Ent wicklung oder für ein bestimmtes Fahrzeug verwenden. Das kann ein Antriebssystem, eine Trägerrakete, ein Satellit oder ein Rover auf dem Mars sein. Für all dies verwenden wir 3D-gedruckte Bauteile. Aber bei der Additiven Fertigung bestimmter kritischer Bauteile stehen wir noch am Anfang.

Bei welchen aktuellen Weltraumprojekten wird 3D-Druck verwendet?

VICKERS: Wir haben drei Polymer-3D-Drucker an Bord der internationalen Raumstation ISS. Dabei wurde auch der Refabricator installiert – der neueste 3D-Drucker im Weltall. Nach der Inbetriebnahme wird er sowohl Materialien recyceln als auch 3D-drucken. Wir machen auch viel im Bereich Triebwerke. Ich würde sagen, die NASA ist führend bei Antriebs komponenten für Raketentriebwerke. Und diese erfordern noch strengere Qualifizierungs- und Zertifizierungsprozesse. Hier verbringen wir viel Zeit damit, diese Prozesse zu verstehen, und zu gewährleisten, dass die Teile sicher sind.

»großartiges Testgelände«

Kunststoffteile werden bereits im Weltraum 3D-gedruckt – gibt es auch Pläne für Metall?

VICKERS: Es gibt Pläne, Metallteile herzustellen. Wir haben gerade drei Unternehmen be auftragt, die erste Generation eines Multimaterial- Fertigungslabors fürs All, FabLab, zu entwickeln. Das ist wahrscheinlich die nächste technische Ausstattung auf der ISS, die auf den Refabricator folgt. Die Mindestanforderung an das FabLab ist die Herstellung von Metallteilen. Eine weitere Anforderung ist die Herstellung von Multimaterial-Bauteilen, die Elektronik, Verbundwerkstoffe und Polymere kombinieren.


Wie helfen die Erfahrungen auf der Internationalen Raumstation, die Nutzung von AM weiter zu verbessern?

VICKERS: Die internationalen Raumstation ist dafür ein großartiges Testgelände und gibt uns die Möglichkeit, diese Technologien in der Schwerelosigkeit zu testen. Darüber hinaus befassen wir uns mit Montage-, Wartungs- und Fertigungskapazitäten im Orbit. Die NASA plant den Bau des »Gateway«, das im Wesentlichen eine kleine Raumstation im Orbit um den Mond ist. Eines der ersten Apparate auf dem »Gateway « wird wahrscheinlich ein 3D-Drucker sein.


Sie haben den Refabricator erwähnt, der sich bereits an Bord der ISS befindet. Welche Erfahrungen gibt es bisher?

VICKERS: Wenn man sich langfristig und nachhaltig im Weltraum aufhalten will, ist das Recycling entscheidend. Dies ist der erste Schritt. Wir haben eine Menge Plastik, alle Arten von Verpackungen für Lebensmittel und andere Produkte, was normalerweise Abfall wäre und zurück zur Erde gebracht werden müsste. Je weiter man im Weltraum vordringt, desto schwieriger ist es, den Abfall wieder auf die Erde zurückzubringen.


Die NASA verwendet schon lange EBF3 (»Electron-beam freeform fabrication«), sogar bei Tests in Parabelflügen. Ist dies eine Technologie, auf die sich die NASA konzentriert?

VICKERS: Das ist ein Label, das sich auf ein bestimmtes System und einen Prozess bezieht und das man auch frei kaufen kann. Aber es gibt ein halbes Dutzend ähnlicher Prozesse. Ich glaube nicht, dass die drei am FabLab-Projekt beteiligten Unternehmen Electron-Beam als Energiequelle nutzen. Sie werden einzigartige Prozesse für das FabLab vorschlagen. Für den 3D-Druck im Weltall haben wir viele Konzepte, Electron-Beam ist nur einer davon.

 

Hier auf der Erde ist die Nachbearbeitung eine der größten Herausforderungen für AM. Gilt das auch für den Weltraum?

VICKERS: Da haben Sie recht. Nachbearbeitung, insbesondere Wärmebehandlung, ist ein Forsch ungsgebiet für die gesamte Branche. Vieles ist noch unbekannt. Wir sind uns nicht einmal sicher, ob wir diese Wärmebehandlung überhaupt benötigen. Wenn wir ins All reisen, möchten wir die operativen Einschränkungen reduzieren. Und mit der Wärmebehandlung kann das schwierig werden.


… nicht zu vergessen Schritte wie Fräsen oder Bohren …

VICKERS: Das schauen wir uns auch an. Es gibt Maschinen, die kombinieren 3D-Druck und einige Nachbearbeitungen sowie Oberflächenveredelung. Es gibt auch Projekte zum 3D-Druck von Habitaten.


Wann ist damit zu rechnen?

VICKERS: Erst vor wenigen Wochen haben wir die Gewinner unseres Wettbewerbs für 3D-gedruckte Habitate bekanntgegeben. Die Idee ist, eine 3D-gedruckte Struktur für einen Lebensraum auf dem Mond oder Mars zu entwickeln. Dabei sollen Materialien verwendet werden, die sowohl von der Erde stammen als auch vor Ort zur Verfügung stehen. Wir nutzen also was auf dem Mond oder Mars leicht zu finden ist als Baumaterial – so ähnlich wie man Beton auf der Erde verwendet. Diese Strukturen können für einen Lebensraum genutzt werden, aber auch für andere Infrastrukturen.


Und wie weit sind wir davon noch entfernt?

VICKERS: Die Ergebnisse dieses Wettbewerbs zeigen auch, wie schnell man sie umsetzen kann. Wir sind nicht so weit davon entfernt. Ich denke, wir haben das Wissen und die Technologie, das so schnell umzusetzen, wie ein Raumfahrtprogramm uns das erlauben würde. Wir sind sicherlich in der Lage, dies innerhalb der nächsten 10 Jahre zu tun.


Herr Vickers, wir danken Ihnen für dieses interessante Gespräch.

Zur Person:

John Vickers arbeitet als »Principal Technologist« im Bereich fortschrittlicher Materialien und Fertigung des »Space Technology Mission Directorate« am Hauptsitz der NASA. Er ist außerdem stellvertretender Direktor des »Materials and Processes Laboratory« am Marshall Space Flight Center der NASA und Manager des »NASA National Center for Advanced Manufacturing« mit Standorten in Huntsville, Alabama und New Orleans, Louisiana. Er verfügt über mehr als 35 Jahre Erfahrung in den Bereichen Material und Fertigung. Als »Principal Technologist« leitet er das landesweite NASA-Team bei der Entwicklung von Strategien für fortschrittliche Fertigungstechnologien, um die Ziele der NASA-Raumfahrtmissionen zu verwirklichen.

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