Plongez dans l’impression 3D en microgravité pour la future exploration spatiale

Plongez dans l’impression 3D en microgravité pour la future exploration spatiale

Les avantages extraordinaires d’un laboratoire en apesanteur fascinent les scientifiques depuis des décennies. En effet, l’observation des phénomènes et des processus en microgravité peut aider à préparer le terrain pour les explorations humaines dans l’espace lointain et fournir des connaissances pour améliorer la qualité de vie sur Terre. La microgravité offre un environnement idéal pour explorer les fondements de nombreux types de recherche scientifique et peut détenir la clé permettant de libérer tout le potentiel de l’impression 3D. Sans la distorsion que l’on connaît sur Terre, les chercheurs peuvent avoir un aperçu du fonctionnement interne des systèmes physiques et biologiques, ce qui permet de faire progresser la technologie de fabrication d’additifs (AM) en orbite.

Pendant des années, les chercheurs ont réalisé des études en microgravité. Avant que le Laboratoire spatial national de la Station spatiale internationale (ISS) ne devienne une plateforme de recherche en orbite, les agences spatiales ne comptaient que sur d’autres moyens. Il s’agissait notamment des tours de chute, des vols spatiaux suborbitaux, des simulateurs de microgravité artificielle et, en particulier, des vols paraboliques sur la Terre qui peuvent être réglés pour tenir compte de l’apesanteur ou des niveaux de gravité réduits comme ceux que l’on trouve à la surface de la Lune ou de Mars. Nombre de ces options innovantes et viables existent depuis les années 1950, mais ne sont limitées qu’à de courtes périodes continues de microgravité qui ne peuvent durer que quelques secondes.

La station spatiale internationale. Image avec l’aimable autorisation de l’ESA.

Le seul laboratoire de microgravité occupé en permanence à bord de l’ISS a permis aux chercheurs et à l’équipage spatial de réaliser des centaines d’heures d’expériences, prouvant des théories et révélant des phénomènes jusque-là inexpliqués. Ils ont même fait les premiers pas vers la réalisation des besoins d’une station d’impression 3D en microgravité à la demande, hors de la Terre.

L’ISS offre un point de départ précieux pour propulser le potentiel de la technologie d’impression 3D dans l’espace. Selon Kirt Costello, scientifique en chef de l’ISS, « dans l’espace, il n’y a pas de convection due à la flottabilité. Les choses chaudes ne s’élèvent pas au-dessus des choses froides, ce qui peut souvent conduire à des découvertes dans le domaine de la science des matériaux, notamment en ce qui concerne la fusion ou le traitement des matériaux. Ainsi, des progrès ont été réalisés dans le domaine de l’étude de nouveaux matériaux dans l’espace et de la formation de matériaux plus solides et plus avantageux en utilisant la microgravité comme l’un des facteurs ».

Avec la disponibilité extrêmement limitée du soutien logistique terrestre, les capacités d’impression 3D pourraient devenir l’une des technologies les plus importantes dans l’espace. Les missions de vol spatial exigent aujourd’hui que la National Aeronautics and Space Administration (NASA) envoie chaque année plus de 7 000 livres de pièces de rechange à l’ISS. Alors que 29 000 livres de pièces détachées pour les vols spatiaux sont stockées à bord de la station et 39 000 autres attendent au sol, prêtes à voler si nécessaire.

Ce système logistique pourrait bien fonctionner pour un vaisseau spatial en orbite à 250 miles au-dessus de la Terre, mais pour de futures missions vers la Lune, Mars et au-delà, ce n’est tout simplement pas viable. Il faut environ trois jours à un vaisseau spatial pour atteindre la Lune et, à un coût de 10 000 dollars la livre, toute colonie lunaire deviendrait très rapidement une entreprise très coûteuse. L’équipage spatial devra fabriquer ses propres pièces de rechange, outils et matériaux. Il est donc essentiel de permettre une fabrication à la demande avec des matières premières communes, certains chercheurs explorant l’utilisation de divers déchets recyclés à bord comme matière première.

Les premières imprimantes 3D dans l’espace

Jusqu’à présent, la station spatiale a reçu plusieurs expériences d’impression 3D et des plates-formes de systèmes d’impression 3D. À l’automne 2014, la NASA et Made In Space (MIS) ont effectué la première démonstration de fabrication en orbite à l’aide d’une imprimante de fabrication de filaments fondus (FFF) dans le cadre de la mission de démonstration de technologie d’impression 3D en zéro-gravité. Une fois installée dans la boîte à gants des sciences en microgravité de l’ISS – une installation scellée pour les recherches – l’imprimante a été immédiatement mise au travail, produisant même la toute première clé à molette imprimée en 3D sur l’ISS par le commandant Barry « Butch » Wilmore.

L’objectif principal de la mission était de prouver les fonctions opérationnelles critiques de l’imprimante, ainsi que d’évaluer l’impact de la microgravité sur les résultats des matériaux avec le procédé FFF en fabriquant des articles de test des propriétés mécaniques et des outils fonctionnels, et, enfin, de démontrer le commandement à distance. Selon l’analyse de la NASA, après une expérience de recherche comparative de quatre ans au cours de laquelle l’agence spatiale a fabriqué des outils et d’autres objets à la fois à bord de l’ISS et en microgravité simulée à l’aide d’imprimantes 3D sur Terre, tous les objets ont obtenu les mêmes résultats. En fait, dans l’étude publiée, les chercheurs n’ont constaté aucun effet significatif de la microgravité sur les résultats des matériaux dans le modèle du processus FFF basé sur la physique.

La mission d’impression 3D a permis de démontrer avec succès la première étape vers la fabrication dans l’espace. Cependant, le MIS a continué à faire avancer sa vision de la fabrication hors de la Terre en lançant une autre installation d’impression commerciale. Cette fois, l’installation de fabrication d’additifs (AMF) de la société a atteint son orbite en mars 2016 et a déjà fabriqué par additif plus de 100 pièces individuelles pour divers clients commerciaux et privés, en utilisant trois polymères différents : le plastique ABS, le bioplastique polyéthylène vert et le plastique PEI/PC adapté à l’espace.

Un multi-outil imprimé en 3D, conçu par les étudiants du programme Future Engineers, flotte devant l’installation de fabrication d’additifs de la Station spatiale internationale. Image reproduite avec l’aimable autorisation de la NASA

L’utilisation de l’impression 3D pour les développements spatiaux est l’utilisation ultime de cette technologie. Sur Terre, l’AM est en concurrence avec des plateformes de fabrication plus anciennes et mieux établies. Dans l’espace, l’impression 3D peut devenir la première plate-forme de production, la plus fiable et la plus rentable, dans une dimension commerciale entièrement nouvelle. L’impression 3D dans l’espace est une technologie habilitante qui est cruciale pour l’exploration humaine au-delà de l’environnement de l’orbite terrestre basse (LEO). En apportant quelques modifications aux systèmes clés, le MIS a pu démontrer que l’AM avec des machines basées sur l’extrusion fonctionne de la même manière en microgravité qu’au sol, ce qui permet une preuve de concept complète.

Néanmoins, d’après l’expérience du MIS, l’utilisation de matières premières polymères pour la MA en orbite ne montre pas de différences substantielles entre le produit final et la production terrestre. Bien que cela soit bon pour prédire ce qui peut être produit en orbite, les scientifiques considèrent que l’absence de différences structurelles dans l’utilisation des matières premières polymères peut également limiter le potentiel des avantages de performance des matériaux pour la MA spatiale.

Ce n’est pas non plus le cas pour les métaux. Les métaux AM en microgravité modifient la microstructure et la porosité des produits. Un groupe d’experts discutant des avantages et des limites de la fabrication dans l’espace lors de l’atelier virtuel 2020 sur la fabrication d’additifs dans l’espace, organisé par le Center for the Advancement of Science in Space (CASIS) – gestionnaire du laboratoire national américain de l’ISS – a déterminé qu’en microgravité, l’absence de mélange par convection dans le bassin de fusion a un impact sur le mélange élémentaire/homogénéité de la composition pendant le dépôt, ainsi que sur les vitesses de refroidissement. Par conséquent, les études doivent prendre en compte les systèmes à fil métallique (comme pour le dépôt à énergie dirigée) ou à filament polymère, ainsi que les produits « à supports mixtes », comme les plastiques renforcés de fibres ou les céramiques renforcées de fil métallique.

« Si nous voulons établir une présence durable en dehors de la Terre, nous devons trouver de nouveaux matériaux ou adapter les anciens matériaux pour qu’ils soient utilisés et réduits dans un environnement de microgravité, en accordant une attention particulière à l’environnement », a expliqué Jennifer Edmunson, chef de projet à la NASA. « Donc, si nous voulons que quelque chose survive sur la surface lunaire, il faut qu’il soit prêt à faire face aux thermoswings, aux radiations, à l’impact des micrométéores et à la surface lunaire chargée électrostatiquement. Si les nouveaux matériaux peuvent survivre dans l’environnement lunaire, il est fort probable qu’ils pourront se développer assez bien sur Terre ».

Les experts estiment que de nouvelles approches de la production dans l’espace sont nécessaires lorsque les systèmes terrestres ne se traduisent pas facilement en conditions de microgravité. L’ouverture de nouvelles options pour les matières premières, y compris les matériaux souples comme les élastomères, les mousses et les caoutchoucs, les encres à faible viscosité, les nouvelles options de polymères comme les thermodurcissables à temps de durcissement plus long, les systèmes de polymères chargés, le renforcement par fibres continues et les polymères semi-cristallins. En outre, il est nécessaire d’étudier comment les matériaux in situ se traduiront en matières premières AM appropriées, en particulier pour l’utilisation des ressources in situ dans d’autres corps planétaires, où les équipages spatiaux peuvent s’attendre à trouver des matériaux de type régolite qui pourraient potentiellement devenir des matériaux d’impression 3D.

Le laboratoire américain à bord de la station spatiale internationale. Image avec l’aimable autorisation de la NASA

Bien que le laboratoire national de l’ISS soit un environnement idéal pour explorer les possibilités de l’impression 3D en microgravité, de nombreuses questions restent sans réponse. Jusqu’à présent, les approches collaboratives et innovantes entre les agences spatiales et les entreprises privées ont permis à la MA de se développer dans l’espace. Alors que les initiatives d’habitation humaine se développent, visant principalement à explorer une plus grande partie de la surface lunaire que jamais auparavant, ce laboratoire orbital unique sera essentiel pour comprendre comment les humains peuvent vivre durablement en orbite pendant de longues périodes.

L’article Deep Dive into 3D Printing in Microgravity for Future Space Exploration a été publié en premier lieu sur 3DPrint.com | The Voice of 3D Printing / Additive Manufacturing.