منذ القرن العشرين، انشغل الجنس البشري باستكشاف الفضاء وفهم ما يكمن وراء الأرض. وقد كانت منظمات كبرى مثل ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية في طليعة استكشاف الفضاء، ويُعدّ الطباعة ثلاثية الأبعاد لاعباً مهماً آخر في هذا المسعى. وبفضل قدرتها على إنتاج أجزاء معقدة بسرعة وبتكلفة منخفضة، تزداد شعبية هذه التقنية التصميمية في الشركات. فهي تُتيح ابتكار العديد من التطبيقات، مثل الأقمار الصناعية وبدلات الفضاء ومكونات الصواريخ. في الواقع، وفقاً لشركة سمارتك، من المتوقع أن تصل القيمة السوقية للتصنيع الإضافي في صناعة الفضاء الخاصة إلى 2.1 مليار يورو بحلول عام 2026. وهذا يطرح السؤال: كيف يُمكن للطباعة ثلاثية الأبعاد أن تُساعد البشر على التفوق في مجال الفضاء؟
في البداية، استُخدمت الطباعة ثلاثية الأبعاد بشكل رئيسي في النماذج الأولية السريعة في الصناعات الطبية والسيارات والفضاء. ومع ذلك، ومع ازدياد انتشار هذه التقنية، يتزايد استخدامها في تصنيع المكونات النهائية. وقد أتاحت تقنية التصنيع الإضافي للمعادن، ولا سيما تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بالليزر الانتقائي (L-PBF)، إنتاج مجموعة متنوعة من المعادن ذات خصائص ومتانة مناسبة لظروف الفضاء القاسية. كما تُستخدم تقنيات طباعة ثلاثية الأبعاد أخرى، مثل الترسيب المباشر للطاقة (DED) والطباعة النفاثة الرابطة وعملية البثق، في تصنيع مكونات الفضاء. وفي السنوات الأخيرة، ظهرت نماذج أعمال جديدة، حيث تستخدم شركات مثل "ميد إن سبيس" و"ريلاتيفيتي سبيس" تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لتصميم مكونات الفضاء.
شركة Relativity Space تعمل على تطوير طابعة ثلاثية الأبعاد لصناعة الطيران والفضاء
تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد في مجال الطيران والفضاء
بعد أن استعرضنا هذه التقنيات، دعونا نلقي نظرة فاحصة على مختلف تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد المستخدمة في صناعة الطيران. بدايةً، تجدر الإشارة إلى أن التصنيع الإضافي للمعادن، وخاصةً تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد بالليزر (L-PBF)، هي الأكثر استخدامًا في هذا المجال. تعتمد هذه العملية على استخدام طاقة الليزر لدمج مسحوق المعدن طبقةً تلو الأخرى. وهي مناسبة بشكل خاص لإنتاج أجزاء صغيرة ومعقدة ودقيقة ومخصصة. كما يمكن لمصنعي الطيران الاستفادة من تقنية الترسيب المباشر للطاقة (DED)، التي تتضمن ترسيب أسلاك أو مساحيق معدنية، وتُستخدم بشكل أساسي في إصلاح أو طلاء أو إنتاج أجزاء معدنية أو خزفية مخصصة.
على النقيض من ذلك، فإن تقنية الطباعة النفاثة الرابطة، رغم مزاياها من حيث سرعة الإنتاج وانخفاض التكلفة، غير مناسبة لإنتاج أجزاء ميكانيكية عالية الأداء، لأنها تتطلب خطوات تقوية لاحقة تزيد من وقت تصنيع المنتج النهائي. كما أن تقنية البثق فعالة في بيئة الفضاء. تجدر الإشارة إلى أن ليس كل البوليمرات مناسبة للاستخدام في الفضاء، ولكن يمكن للبلاستيك عالي الأداء، مثل PEEK، أن يحل محل بعض الأجزاء المعدنية بفضل متانته. مع ذلك، لا تزال عملية الطباعة ثلاثية الأبعاد هذه غير منتشرة على نطاق واسع، ولكنها قد تصبح أداة قيّمة لاستكشاف الفضاء باستخدام مواد جديدة.
تُعد تقنية دمج مسحوق الليزر (L-PBF) تقنية شائعة الاستخدام في الطباعة ثلاثية الأبعاد في مجال الطيران والفضاء.
إمكانات مواد الفضاء
يستكشف قطاع صناعة الطيران والفضاء مواد جديدة من خلال الطباعة ثلاثية الأبعاد، مقترحًا بدائل مبتكرة قد تُحدث نقلة نوعية في السوق. وبينما كانت المعادن كالتيتانيوم والألومنيوم وسبائك النيكل والكروم محور التركيز الرئيسي، قد تخطف مادة جديدة الأضواء قريبًا: تربة القمر. تربة القمر هي طبقة من الغبار تغطي سطح القمر، وقد أثبتت وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) فوائد دمجها مع الطباعة ثلاثية الأبعاد. يصف أدفينيت ماكايا، كبير مهندسي التصنيع في وكالة الفضاء الأوروبية، تربة القمر بأنها شبيهة بالخرسانة، وتتكون أساسًا من السيليكون وعناصر كيميائية أخرى كالحديد والمغنيسيوم والألومنيوم والأكسجين. وقد تعاونت وكالة الفضاء الأوروبية مع شركة ليثوز لإنتاج أجزاء وظيفية صغيرة كالبراغي والتروس باستخدام تربة قمرية مُحاكاة ذات خصائص مشابهة لغبار القمر الحقيقي.
تعتمد معظم عمليات تصنيع تربة القمر على الحرارة، مما يجعلها متوافقة مع تقنيات مثل الطباعة الانتقائية بالليزر (SLS) وحلول الطباعة بالربط المسحوقي. وتستخدم وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) تقنية D-Shape بهدف إنتاج أجزاء صلبة عن طريق مزج كلوريد المغنيسيوم مع مواد أخرى ودمجه مع أكسيد المغنيسيوم الموجود في العينة المحاكاة. ومن أهم مزايا هذه المادة القمرية دقة الطباعة العالية، مما يُمكّن من إنتاج أجزاء بأعلى دقة. وقد تُصبح هذه الميزة عاملاً أساسياً في توسيع نطاق التطبيقات وتصنيع مكونات القواعد القمرية المستقبلية.
تربة القمر موجودة في كل مكان
يوجد أيضًا تربة المريخ، وهي المادة الموجودة تحت سطح المريخ. حاليًا، لا تستطيع وكالات الفضاء الدولية استخراج هذه المادة، لكن هذا لم يمنع العلماء من البحث في إمكاناتها في بعض مشاريع الفضاء. يستخدم الباحثون عينات محاكاة من هذه المادة ويدمجونها مع سبائك التيتانيوم لإنتاج أدوات أو مكونات صواريخ. تشير النتائج الأولية إلى أن هذه المادة ستوفر قوة أكبر وتحمي المعدات من الصدأ وأضرار الإشعاع. على الرغم من تشابه خصائص هاتين المادتين، إلا أن تربة القمر لا تزال المادة الأكثر اختبارًا. ومن مزاياها الأخرى إمكانية تصنيعها في الموقع دون الحاجة إلى نقل المواد الخام من الأرض. إضافةً إلى ذلك، تُعد تربة القمر مصدرًا غير قابل للنضوب، مما يساهم في تجنب ندرتها.
تطبيقات تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد في صناعة الطيران والفضاء
تتنوع تطبيقات تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد في صناعة الطيران والفضاء تبعًا للعملية المستخدمة. فعلى سبيل المثال، يمكن استخدام تقنية دمج مسحوق المعادن بالليزر (L-PBF) لتصنيع أجزاء معقدة قصيرة الأجل، مثل أنظمة الأدوات أو قطع غيار المركبات الفضائية. وقد استخدمت شركة Launcher الناشئة، ومقرها كاليفورنيا، تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد باستخدام معدن الياقوت من شركة Velo3D لتحسين محرك صاروخها السائل E-2. واستُخدمت عملية الشركة المصنعة لإنشاء التوربين الحثي، الذي يلعب دورًا حاسمًا في تسريع ودفع الأكسجين السائل (LOX) إلى غرفة الاحتراق. وتمت طباعة كل من التوربين والمستشعر باستخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، ثم تم تجميعهما. يوفر هذا المكون المبتكر للصاروخ تدفقًا أكبر للسوائل وقوة دفع أكبر، مما يجعله جزءًا أساسيًا من المحرك.
ساهمت شركة Velo3D في استخدام تقنية PBF في تصنيع محرك الصاروخ السائل E-2.
تتمتع تقنية التصنيع بالإضافة بتطبيقات واسعة، تشمل إنتاج هياكل صغيرة وكبيرة. فعلى سبيل المثال، يمكن استخدام تقنيات الطباعة ثلاثية الأبعاد، مثل حل Stargate من شركة Relativity Space، لتصنيع أجزاء كبيرة كخزانات وقود الصواريخ وشفرات المراوح. وقد أثبتت Relativity Space ذلك من خلال إنتاجها الناجح لصاروخ Terran 1، وهو صاروخ مطبوع بالكامل تقريبًا بتقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، بما في ذلك خزان وقود يبلغ طوله عدة أمتار. وقد أظهر إطلاقه الأول في 23 مارس 2023 كفاءة وموثوقية عمليات التصنيع بالإضافة.
تتيح تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد القائمة على البثق إنتاج أجزاء باستخدام مواد عالية الأداء مثل مادة PEEK. وقد خضعت مكونات مصنوعة من هذه المادة البلاستيكية الحرارية لاختبارات في الفضاء، ووُضعت على مركبة راشد الجوالة ضمن مهمة الإمارات لاستكشاف القمر. وكان الهدف من هذا الاختبار تقييم مقاومة PEEK للظروف القمرية القاسية. وفي حال نجاح الاختبار، قد تتمكن PEEK من استبدال الأجزاء المعدنية في حالات تلفها أو ندرة المواد. إضافةً إلى ذلك، قد تُسهم خصائص PEEK خفيفة الوزن في استكشاف الفضاء.
يمكن استخدام تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد لتصنيع مجموعة متنوعة من الأجزاء لصناعة الطيران والفضاء.
مزايا الطباعة ثلاثية الأبعاد في صناعة الطيران والفضاء
تشمل مزايا الطباعة ثلاثية الأبعاد في صناعة الطيران والفضاء تحسين المظهر النهائي للأجزاء مقارنةً بتقنيات التصنيع التقليدية. صرّح يوهانس هوما، الرئيس التنفيذي لشركة ليثوز النمساوية المصنّعة للطابعات ثلاثية الأبعاد، قائلاً: "هذه التقنية تجعل الأجزاء أخف وزنًا". وبفضل حرية التصميم، تتميز المنتجات المطبوعة ثلاثية الأبعاد بكفاءة أعلى وتتطلب موارد أقل، مما يُسهم إيجابًا في تقليل الأثر البيئي لإنتاج الأجزاء. وقد أثبتت شركة ريلاتيفيتي سبيس أن التصنيع الإضافي يُمكن أن يُقلل بشكل كبير من عدد المكونات اللازمة لتصنيع المركبات الفضائية. فعلى سبيل المثال، تم توفير 100 جزء في صاروخ تيران 1. إضافةً إلى ذلك، تتميز هذه التقنية بسرعة إنتاج عالية، حيث تم إنجاز الصاروخ في أقل من 60 يومًا، بينما قد يستغرق تصنيع صاروخ بالطرق التقليدية عدة سنوات.
فيما يتعلق بإدارة الموارد، يمكن للطباعة ثلاثية الأبعاد توفير المواد، وفي بعض الحالات، إعادة تدوير النفايات. كما قد تُصبح هذه التقنية أداةً قيّمةً لتقليل وزن إطلاق الصواريخ. الهدف هو تعظيم الاستفادة من المواد المحلية، مثل التربة القمرية، وتقليل نقل المواد داخل المركبة الفضائية. وهذا يُتيح حمل طابعة ثلاثية الأبعاد فقط، قادرة على إنتاج كل شيء في الموقع بعد الرحلة.
أرسلت شركة "ميد إن سبيس" بالفعل إحدى طابعاتها ثلاثية الأبعاد إلى الفضاء لإجراء الاختبارات.
قيود الطباعة ثلاثية الأبعاد في الفضاء
على الرغم من المزايا العديدة للطباعة ثلاثية الأبعاد، إلا أن هذه التقنية لا تزال حديثة نسبياً ولها بعض القيود. صرّح أدفينيت ماكايا قائلاً: "إحدى المشكلات الرئيسية التي تواجه التصنيع الإضافي في صناعة الطيران هي التحكم في العمليات والتحقق من صحتها". يمكن للمصنّعين دخول المختبر واختبار قوة كل جزء وموثوقيته وبنيته المجهرية قبل التحقق من صحته، وهي عملية تُعرف بالاختبار غير المتلف. مع ذلك، قد تكون هذه العملية مُستهلكة للوقت ومكلفة، لذا فإن الهدف النهائي هو تقليل الحاجة إلى هذه الاختبارات. أنشأت وكالة ناسا مؤخراً مركزاً لمعالجة هذه المشكلة، يركز على الاعتماد السريع للمكونات المعدنية المصنّعة بتقنية التصنيع الإضافي. يهدف المركز إلى استخدام التوائم الرقمية لتحسين النماذج الحاسوبية للمنتجات، مما سيساعد المهندسين على فهم أداء الأجزاء وقيودها بشكل أفضل، بما في ذلك مقدار الضغط الذي يمكنها تحمّله قبل الكسر. من خلال ذلك، يأمل المركز في المساعدة على تعزيز تطبيق الطباعة ثلاثية الأبعاد في صناعة الطيران، مما يجعلها أكثر فعالية في منافسة تقنيات التصنيع التقليدية.
خضعت هذه المكونات لاختبارات شاملة للتحقق من موثوقيتها وقوتها.
من جهة أخرى، تختلف عملية التحقق عند التصنيع في الفضاء. يوضح أدفينيت ماكايا من وكالة الفضاء الأوروبية: "هناك تقنية تتضمن تحليل الأجزاء أثناء الطباعة". تساعد هذه الطريقة في تحديد المنتجات المطبوعة المناسبة من غير المناسبة. إضافةً إلى ذلك، يوجد نظام تصحيح ذاتي للطابعات ثلاثية الأبعاد المصممة للفضاء، ويجري اختباره على آلات معدنية. يستطيع هذا النظام تحديد الأخطاء المحتملة في عملية التصنيع وتعديل معاييره تلقائيًا لتصحيح أي عيوب في الجزء. من المتوقع أن يُحسّن هذان النظامان موثوقية المنتجات المطبوعة في الفضاء.
لتقييم حلول الطباعة ثلاثية الأبعاد، وضعت وكالة ناسا ووكالة الفضاء الأوروبية معايير محددة. تشمل هذه المعايير سلسلة من الاختبارات لتحديد موثوقية الأجزاء. وتأخذ هذه المعايير في الاعتبار تقنية دمج مسحوق المعادن، وتعمل على تحديثها لتشمل عمليات أخرى. مع ذلك، توفر العديد من الشركات الرائدة في صناعة المواد، مثل أركيما، وباسف، ودوبونت، وسابك، إمكانية تتبع هذه المنتجات.
العيش في الفضاء؟
مع تطور تقنية الطباعة ثلاثية الأبعاد، شهدنا العديد من المشاريع الناجحة على الأرض التي تستخدم هذه التقنية لبناء المنازل. وهذا يدفعنا للتساؤل عما إذا كان من الممكن استخدام هذه التقنية في المستقبل القريب أو البعيد لبناء مساكن في الفضاء. ورغم أن العيش في الفضاء غير واقعي حاليًا، إلا أن بناء المنازل، وخاصة على سطح القمر، قد يكون مفيدًا لرواد الفضاء في تنفيذ مهماتهم الفضائية. وتهدف وكالة الفضاء الأوروبية (ESA) إلى بناء قباب على سطح القمر باستخدام التربة القمرية، والتي يمكن استخدامها لبناء جدران أو طوب لحماية رواد الفضاء من الإشعاع. ووفقًا لأدفينيت ماكايا من وكالة الفضاء الأوروبية، تتكون التربة القمرية من حوالي 60% معادن و40% أكسجين، وهي مادة أساسية لبقاء رواد الفضاء لأنها توفر مصدرًا لا ينضب للأكسجين عند استخراجها.
منحت وكالة ناسا شركة ICON منحة قدرها 57.2 مليون دولار لتطوير نظام طباعة ثلاثية الأبعاد لبناء هياكل على سطح القمر، كما تتعاون معها لإنشاء وحدة سكنية محاكاة لبيئة الكثبان الرملية على سطح المريخ. يهدف المشروع إلى اختبار ظروف المعيشة على المريخ من خلال إقامة متطوعين في هذه الوحدة لمدة عام، لمحاكاة الظروف على الكوكب الأحمر. تمثل هذه الجهود خطوات حاسمة نحو بناء هياكل مطبوعة ثلاثية الأبعاد مباشرة على سطح القمر والمريخ، مما قد يمهد الطريق في نهاية المطاف لاستعمار البشر للفضاء.
في المستقبل البعيد، قد تُمكّن هذه المنازل الحياة من البقاء على قيد الحياة في الفضاء.
تاريخ النشر: 14 يونيو 2023
