In einer Zukunft, in der Astronauten auf Langstreckenflüge ins All gehen, wird es nicht mehr möglich sein, Ersatzteile von der Erde anzufordern. Bevor Menschen tiefer in den Weltraum vordringen können, müssen Ingenieure die Herausforderungen des unvermeidlichen Verschleißes an der Ausrüstung der Astronauten meistern. Forscher der University of Wisconsin-Madison haben einen Schritt in Richtung der Herstellung von Ersatz-Elektronikkomponenten im Weltraum gemacht, indem sie erstmals RAM-Geräte in der Schwerelosigkeit erfolgreich 3D-gedruckt haben. Das berichtet die University of Wisconsin–Madison.
Erfolgreicher Testflug im März 2024
Das Team der UW–Madison erzielte diesen Erfolg Anfang März 2024 während eines parabelförmigen Testflugs am Flughafen Fort Lauderdale-Hollywood International in Florida. NASA, die die von UW-Professor Hantang Qin geleitete Forschung finanziert, interessiert sich für die Entwicklung von Herstellungsverfahren im Weltraum für elektronische Komponenten wie Halbleiter, Aktuatoren und Sensoren. Diese könnten für Reparaturen im Weltraum verwendet werden, ohne Ersatzteile transportieren zu müssen.
Das Team stieß bei seinen ersten beiden Testflügen auf technische Probleme – etwa 40-minütige Flüge mit Aufstiegen und Abtauchen, die kurze Perioden der Schwerelosigkeit simulieren. Die Forscher verbrachten die Woche vor ihrem dritten und letzten Flug damit, mögliche Ursachen des Fehlers zu beheben, und arbeiteten dabei 12 bis 15 Stunden am Tag.
„Vieles hängt von diesen Experimenten ab“, sagt Rayne Wolf, eine Doktorandin aus Potosi, Wisconsin, und eine der Teamleiterinnen.
Elektrohydrodynamischer Druck als Lösung
Traditioneller 3D-Druck ist auf die Schwerkraft angewiesen, um Material aus einer Druckerdüse zu extrudieren. Im Weltraum ist daher ein anderer Ansatz erforderlich. Das Labor von Qin hat eine Alternative namens elektrohydrodynamischer (EHD) Druck entwickelt. Diese Technik verwendet elektrische Kräfte, um den Fluss flüssiger Materialien durch eine extrem dünne Düse mit nur 30 Mikrometern Durchmesser zu steuern, etwa der durchschnittlichen Breite einer einzelnen Wollfaser.
„Auf dieser kleinen Skala verhindert die Oberflächenspannung, dass die Flüssigkeit aus der Düse fließt“, erklärt Qin, dessen Gruppe die Zusammenarbeit mit Forschern der Iowa State University, der Arizona State University, Intel und anderen Industriepartnern leitet. „Wir nutzen diese elektrische Kraft, um die Oberflächenspannung zu überwinden.“
Qin betont, dass die EHD-Drucktechnologie über ihre Funktion in Schwerelosigkeit hinaus Vorteile bietet. Bei traditionellem 3D-Druck bestimmt die Düsenöffnung die Tropfengröße. „Mit unserem Drucksystem können wir jedoch Tröpfchen herstellen, die viel kleiner sind als die Düsengröße“, sagt er. „Mit einer 2-Mikrometer-Düse können wir ein nanoskaliges Muster erzeugen. Das ist ein großer Vorteil.“
Erfolgreicher Druck im dritten Anlauf
Das Team konnte schließlich das Problem identifizieren, das die ersten beiden Flüge behinderte: Vibrationen des Flugzeugmotors beeinträchtigten die Kalibrierungssensoren des Druckers. Sie konnten das Problem lösen, indem sie den Code ihres Systems umschrieben, um die Vibrationen zu kompensieren, wobei Pengyu Zhang, ein Elektrotechnik- und Informatikstudent, den Code in der Schwerelosigkeit schrieb.
Die ganze Arbeit zahlte sich beim letzten Testflug aus. Unter der manuellen Kontrolle von Wolf und Jacob Kocemba (einem 2023 UW–Madison-Absolventen, der nun an der University of Illinois weiterstudiert) produzierte der EHD-Drucker des Labors erfolgreich über ein Dutzend Einheiten mit Zinkoxid, einer halbleitenden Tinte, und ein halbes Dutzend weitere mit Polydimethylsiloxan, einer isolierenden Polymer-Tinte.
Während die Forscher sehen konnten, dass ihr Drucker funktionierte, als sie durch die Kabine des Flugzeugs schwebten, konnten sie ihre Ergebnisse auf Mikro- und Nanoskala erst bestätigen, als sie sich in ihrem provisorischen Forschungslabor in einem Hangar am Flughafen um ein Mikroskop versammelten.
„Wir hatten ein gutes Gefühl, als wir in der Luft waren und die Stufen funktionierten“, sagt Khawlah Alharbi, eine Doktorandin, die bei zwei der Testflüge an Bord war. „Als die Ergebnisse vorlagen, waren wir wirklich zufrieden und aufgeregt, mit unserer Forschung weiterzumachen.“
Die Forscher planen, im August und November 2024 nach Florida zurückzukehren, um zwei weitere Testflüge durchzuführen. Dabei werden sie versuchen, ihre EHD-Technologie in einen Multi-Tool-3D-Drucker eines Industriepartners zu integrieren und von der Herstellung einzelner Einheiten zu vollständigen halbleitenden Geräten überzugehen.
Sollten sie diese Projektziele erreichen, hoffen sie, ihre Technologie zur Testung an Bord der Internationalen Raumstation zu schicken. „Wenn wir das zur ISS schicken können“, sagt Doktorand Liangkui Jiang, der seit Beginn des Projekts daran arbeitet, „wäre das ein glückliches Ende.“
