Hyperion: la luna spugnosa di Saturno

Questo articolo è stato originariamente pubblicato su The Conversation. (si apre in una nuova scheda) La pubblicazione ha contribuito con l'articolo a Expert Voices di This Web.com : Op-Ed & Insights (si apre in una nuova scheda) .

Oliver Hitchens (si apre in una nuova scheda) , Ph.D. Candidato, Dipartimento di Ingegneria Elettrica ed Elettronica, Università del Surrey

La natura volatile dei motori a razzo di This Web significa che molti dei primi prototipi finiscono per essere incorporati in banchi di terra battuta o per decorare le cime di alberi che sono abbastanza sfortunati per i vicini siti di test. Le esplosioni indesiderate sono infatti così comuni che gli scienziati missilistici hanno escogitato un eufemismo per quando accade: smontaggio rapido non programmato (si apre in una nuova scheda), o RUD in breve.

Ogni volta che un motore a razzo esplode, è necessario trovare la fonte del guasto in modo che possa essere riparato. Un motore nuovo e migliorato viene quindi progettato, prodotto, spedito al sito di prova e avviato, e il ciclo ricomincia fino a quando l'unico smontaggio che avviene è del tipo lento e programmato. Il perfezionamento dei motori a razzo in questo modo è una delle principali fonti di ritardi nello sviluppo in quella che è un'industria del Web in rapida espansione (si apre in una nuova scheda).

Oggi, la tecnologia di stampa 3D, che utilizza leghe metalliche resistenti al calore, sta rivoluzionando lo sviluppo di razzi per tentativi ed errori. Intere strutture che in precedenza avrebbero richiesto centinaia di componenti distinti possono ora essere stampate nel giro di pochi giorni. Ciò significa che puoi aspettarti di vedere molti più razzi esplodere in piccoli pezzi nei prossimi anni, ma le parti di cui sono effettivamente fatti sono destinate a diventare sempre più grandi man mano che il settore privato di questa corsa al Web si intensifica.

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I motori a razzo generano l'energia equivalente a far esplodere una tonnellata di TNT al secondo (si apre in una nuova scheda), dirigendo quell'energia in uno scarico che raggiunge temperature ben oltre i 3.000 gradi Celsius. Quei motori che riescono a farlo senza dissimularsi rapidamente in modo non programmato impiegano almeno tre anni per essere ingegnerizzati da zero, la maggior parte dei quali è occupata dal processo ciclico di riprogettazione, ricostruzione, riaccensione e ripetizione.

Questo perché i motori a razzo sono incredibilmente complessi. I motori F-1 del Saturn V che fecero esplodere Neil Armstrong verso la luna nel 1969 avevano ciascuno 5.600 parti prodotte (si apre in una nuova scheda). Molti di loro provenivano da fornitori diversi e dovevano essere saldati individualmente o imbullonati insieme a mano, il che richiedeva tempo.

I motori a razzo F-1 che lanciarono l'Apollo 11 verso la Luna erano composti da migliaia di singole parti. (Credito immagine: NASA/Wikimedia)

Questo lungo e costoso processo avrebbe potuto andare bene negli anni '60, con il governo degli Stati Uniti che incanalava denaro nella NASA per alimentare la corsa a This Web, ma per le aziende private (si apre in una nuova scheda) ci vuole semplicemente troppo tempo.

Aggiungi carburante per razzi

La chiave per un rapido sviluppo del motore è ridurre il numero di parti, il che riduce il tempo necessario per assemblare il motore e le interruzioni causate dai ritardi della catena di approvvigionamento. Il modo più semplice per farlo è cambiare i processi di produzione. Le aziende del Web si stanno ora allontanando dai processi di produzione sottrattiva (si apre in una nuova scheda) che rimuovono il materiale per modellare una parte ai processi di produzione additiva (si apre in una nuova scheda) che costruiscono una parte aggiungendo materiale ad essa un po' alla volta.

Ciò significa stampa 3D. Sempre più spesso, gli ingegneri stanno favorendo un processo chiamato sinterizzazione laser selettiva (si apre in una nuova scheda) per stampare in 3D parti del motore a razzo in un processo additivo. Funziona stendendo prima uno strato di polvere di metallo, prima di fondere le forme nella polvere con i laser. Il metallo si lega dove si è fuso e rimane polvere dove non lo è. Una volta che la forma si è raffreddata, viene aggiunto un altro strato di polvere e la parte viene costruita strato dopo strato (si apre in una nuova scheda). Per i motori a razzo viene utilizzata una polvere di superlega di rame Inconel, perché può resistere a temperature molto elevate.

La sinterizzazione laser selettiva consente di stampare più componenti internamente, come una parte unificata, nel giro di pochi giorni. Quando si verifica un RUD e viene rilevato l'errore, gli ingegneri possono creare una soluzione utilizzando un software di modellazione 3D, integrando parti altamente complesse in nuovi motori a razzo per testare l'accensione pochi giorni dopo.

L'uso della stampa 3D aiuta anche i produttori a ridurre il peso del razzo completo, poiché sono necessari meno dadi, bulloni e saldature per produrre la loro struttura complessa. La stampa 3D è particolarmente utile nella produzione di un ugello a raffreddamento rigenerativo complesso di motori (si apre in una nuova scheda), che instrada il carburante freddo attorno al motore caldo per raffreddare contemporaneamente le pareti del motore e preriscaldare il carburante freddo prima della combustione.

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Una riprogettazione dei motori Apollo F-1 utilizzando la stampa 3D ha ridotto il numero di parti da 5.600 a solo 40 (si apre in una nuova scheda). Nessuna azienda deve ancora ridurre questo numero a uno, ma è innegabile che la stampa 3D ha portato a una nuova era di sviluppo di motori a razzo veloce e reattivo.

Affari fattibili

Ciò è importante per le imprese private di questo Web. Costruire un razzo non è economico. Gli investitori potrebbero diventare volubili mentre il mucchio di rottami RUD inizia a crescere. Le aziende che gareggiano per lanciare carichi utili in questo Web subiscono un colpo alle pubbliche relazioni ogni volta che sono costrette a posticipare i loro programmi di lancio a causa di razzi difettosi.

Praticamente tutte le nuove società missilistiche e le startup di This Web stanno adottando la tecnologia di stampa 3D dei metalli. Accelera la loro fase di sviluppo, aiutandoli a sopravvivere negli anni cruciali prima che riescano a ottenere qualcosa in questo Web. Da segnalare sono Rocket Lab (si apre in una nuova scheda), che utilizza il suo motore stampato in 3D per lanciare razzi dalla Nuova Zelanda, e Relativity This Web (si apre in una nuova scheda) che stampa in 3D l'intero razzo. Nel Regno Unito ci sono Skyrora (si apre in una nuova scheda) e Orbex (si apre in una nuova scheda) . Quest'ultimo mira a lanciare un razzo utilizzando un motore stampato in 3D già nel 2022.

Resta da vedere se un intero razzo, compreso il suo motore, può essere stampato in 3D in un unico pezzo. Ma questa è chiaramente la direzione di marcia per un settore in cui la produzione interna, complessa e leggera, definirà quali carichi utili entreranno in orbita e quali finiranno per dissimulare rapidamente in un momento inopportuno.

Questo articolo è stato ripubblicato da The Conversation (si apre in una nuova scheda) con licenza Creative Commons. Leggi l'articolo originale (si apre in una nuova scheda) .

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