Desde el siglo XX, la humanidad ha estado fascinada por explorar el espacio y comprender lo que hay más allá de la Tierra. Organizaciones importantes como la NASA y la ESA han estado a la vanguardia de la exploración espacial, y otro actor clave en esta conquista es la impresión 3D. Gracias a la capacidad de producir piezas complejas rápidamente a bajo coste, esta tecnología de diseño se está volviendo cada vez más popular en las empresas. Permite la creación de numerosas aplicaciones, como satélites, trajes espaciales y componentes de cohetes. De hecho, según SmarTech, se espera que el valor de mercado de la fabricación aditiva en la industria espacial privada alcance los 2100 millones de euros para 2026. Esto plantea la pregunta: ¿Cómo puede la impresión 3D ayudar a los humanos a destacar en el espacio?
Inicialmente, la impresión 3D se utilizaba principalmente para la creación rápida de prototipos en las industrias médica, automotriz y aeroespacial. Sin embargo, a medida que esta tecnología se ha generalizado, su uso se incrementa para componentes de uso final. La tecnología de fabricación aditiva de metales, en particular la L-PBF, ha permitido la producción de diversos metales con características y durabilidad adecuadas para condiciones espaciales extremas. Otras tecnologías de impresión 3D, como la DED, la inyección de aglutinante y la extrusión, también se utilizan en la fabricación de componentes aeroespaciales. En los últimos años, han surgido nuevos modelos de negocio, con empresas como Made in Space y Relativity Space que utilizan la tecnología de impresión 3D para diseñar componentes aeroespaciales.
Relativity Space desarrolla una impresora 3D para la industria aeroespacial
Tecnología de impresión 3D en la industria aeroespacial
Ahora que las hemos presentado, analicemos con más detalle las diversas tecnologías de impresión 3D utilizadas en la industria aeroespacial. En primer lugar, cabe destacar que la fabricación aditiva de metal, especialmente la L-PBF, es la más utilizada en este campo. Este proceso implica el uso de energía láser para fusionar polvo metálico capa a capa. Es especialmente adecuado para producir piezas pequeñas, complejas, precisas y personalizadas. Los fabricantes aeroespaciales también pueden beneficiarse de la DED, que consiste en depositar alambre o polvo metálico y se utiliza principalmente para reparar, recubrir o producir piezas metálicas o cerámicas personalizadas.
Por el contrario, la inyección de aglutinante, si bien ofrece ventajas en términos de velocidad de producción y bajo coste, no es adecuada para la producción de piezas mecánicas de alto rendimiento, ya que requiere etapas de refuerzo posteriores al procesamiento que aumentan el tiempo de fabricación del producto final. La tecnología de extrusión también es eficaz en el entorno espacial. Cabe destacar que no todos los polímeros son aptos para su uso en el espacio, pero los plásticos de alto rendimiento como el PEEK pueden sustituir a algunas piezas metálicas gracias a su resistencia. No obstante, este proceso de impresión 3D aún no está muy extendido, pero puede convertirse en un recurso valioso para la exploración espacial mediante el uso de nuevos materiales.
La fusión de lecho de polvo láser (L-PBF) es una tecnología ampliamente utilizada en la impresión 3D para la industria aeroespacial.
Potencial de los materiales espaciales
La industria aeroespacial ha estado explorando nuevos materiales mediante la impresión 3D, proponiendo alternativas innovadoras que podrían revolucionar el mercado. Si bien metales como el titanio, el aluminio y las aleaciones de níquel-cromo siempre han sido el foco principal, un nuevo material podría pronto acaparar la atención: el regolito lunar. El regolito lunar es una capa de polvo que cubre la Luna, y la ESA ha demostrado las ventajas de combinarlo con la impresión 3D. Advenit Makaya, ingeniero sénior de fabricación de la ESA, describe el regolito lunar como similar al hormigón, compuesto principalmente de silicio y otros elementos químicos como hierro, magnesio, aluminio y oxígeno. La ESA se ha asociado con Lithoz para producir pequeñas piezas funcionales, como tornillos y engranajes, utilizando regolito lunar simulado con propiedades similares al polvo lunar real.
La mayoría de los procesos de fabricación del regolito lunar utilizan calor, lo que lo hace compatible con tecnologías como el SLS y las soluciones de impresión por adhesión de polvo. La ESA también utiliza la tecnología D-Shape para producir piezas sólidas mezclando cloruro de magnesio con materiales y combinándolo con el óxido de magnesio presente en la muestra simulada. Una de las ventajas significativas de este material lunar es su mayor resolución de impresión, que permite producir piezas con la máxima precisión. Esta característica podría convertirse en la principal ventaja para ampliar la gama de aplicaciones y la fabricación de componentes para futuras bases lunares.
El regolito lunar está en todas partes
También existe el regolito marciano, que se refiere al material del subsuelo que se encuentra en Marte. Actualmente, las agencias espaciales internacionales no pueden recuperar este material, pero esto no ha impedido que los científicos investiguen su potencial en ciertos proyectos aeroespaciales. Los investigadores están utilizando especímenes simulados de este material y lo están combinando con una aleación de titanio para producir herramientas o componentes de cohetes. Los resultados iniciales indican que este material proporcionará mayor resistencia y protegerá los equipos de la oxidación y los daños por radiación. Aunque estos dos materiales tienen propiedades similares, el regolito lunar sigue siendo el material más probado. Otra ventaja es que estos materiales pueden fabricarse in situ sin necesidad de transportar materias primas desde la Tierra. Además, el regolito es una fuente inagotable de materiales, lo que ayuda a prevenir la escasez.
Las aplicaciones de la tecnología de impresión 3D en la industria aeroespacial
Las aplicaciones de la tecnología de impresión 3D en la industria aeroespacial pueden variar según el proceso específico empleado. Por ejemplo, la fusión láser de lecho de polvo (L-PBF) permite fabricar piezas complejas de corta duración, como sistemas de herramientas o repuestos espaciales. Launcher, una startup californiana, utilizó la tecnología de impresión 3D de zafiro-metal de Velo3D para mejorar su motor de cohete líquido E-2. El proceso del fabricante se empleó para crear la turbina de inducción, crucial para acelerar e impulsar el oxígeno líquido (LOX) hacia la cámara de combustión. Tanto la turbina como el sensor se imprimieron mediante impresión 3D y posteriormente se ensamblaron. Este innovador componente proporciona al cohete un mayor flujo de fluido y mayor empuje, lo que lo convierte en una parte esencial del motor.
Velo3D contribuyó al uso de la tecnología PBF en la fabricación del motor de cohete líquido E-2.
La fabricación aditiva tiene amplias aplicaciones, incluyendo la producción de estructuras pequeñas y grandes. Por ejemplo, tecnologías de impresión 3D como la solución Stargate de Relativity Space pueden utilizarse para fabricar piezas de gran tamaño, como tanques de combustible para cohetes y palas de hélices. Relativity Space lo ha demostrado con la exitosa producción del Terran 1, un cohete impreso casi en su totalidad en 3D, que incluye un tanque de combustible de varios metros de longitud. Su primer lanzamiento, el 23 de marzo de 2023, demostró la eficiencia y fiabilidad de los procesos de fabricación aditiva.
La tecnología de impresión 3D basada en extrusión también permite la producción de piezas con materiales de alto rendimiento como el PEEK. Los componentes fabricados con este termoplástico ya se han probado en el espacio y se colocaron en el rover Rashid como parte de la misión lunar de los Emiratos Árabes Unidos. El objetivo de esta prueba fue evaluar la resistencia del PEEK a las condiciones lunares extremas. De tener éxito, el PEEK podría reemplazar piezas metálicas en situaciones donde estas se rompan o los materiales escaseen. Además, las propiedades ligeras del PEEK podrían ser valiosas en la exploración espacial.
La tecnología de impresión 3D se puede utilizar para fabricar una variedad de piezas para la industria aeroespacial.
Ventajas de la impresión 3D en la industria aeroespacial
Las ventajas de la impresión 3D en la industria aeroespacial incluyen una mejor apariencia final de las piezas en comparación con las técnicas de construcción tradicionales. Johannes Homa, director ejecutivo del fabricante austriaco de impresoras 3D Lithoz, afirmó que «esta tecnología aligera las piezas». Gracias a la libertad de diseño, los productos impresos en 3D son más eficientes y requieren menos recursos. Esto repercute positivamente en el impacto ambiental de la producción de piezas. Relativity Space ha demostrado que la fabricación aditiva puede reducir significativamente la cantidad de componentes necesarios para la fabricación de naves espaciales. En el caso del cohete Terran 1, se ahorraron 100 piezas. Además, esta tecnología ofrece importantes ventajas en la velocidad de producción, ya que el cohete se completa en menos de 60 días. En cambio, la fabricación de un cohete con métodos tradicionales podría tardar varios años.
En cuanto a la gestión de recursos, la impresión 3D permite ahorrar materiales y, en algunos casos, incluso reciclar residuos. Finalmente, la fabricación aditiva puede convertirse en un recurso valioso para reducir el peso de despegue de los cohetes. El objetivo es maximizar el uso de materiales locales, como el regolito, y minimizar el transporte de materiales dentro de la nave espacial. Esto permite llevar únicamente una impresora 3D, que puede crear todo in situ después del vuelo.
Made in Space ya ha enviado una de sus impresoras 3D al espacio para realizar pruebas.
Limitaciones de la impresión 3D en el espacio
Aunque la impresión 3D ofrece numerosas ventajas, esta tecnología es aún relativamente nueva y presenta limitaciones. Advenit Makaya afirmó: «Uno de los principales problemas de la fabricación aditiva en la industria aeroespacial es el control y la validación de procesos». Los fabricantes pueden acceder al laboratorio y probar la resistencia, la fiabilidad y la microestructura de cada pieza antes de la validación, un proceso conocido como ensayos no destructivos (END). Sin embargo, esto puede ser lento y costoso, por lo que el objetivo final es reducir la necesidad de estas pruebas. La NASA creó recientemente un centro para abordar este problema, centrado en la certificación rápida de componentes metálicos fabricados mediante fabricación aditiva. El centro pretende utilizar gemelos digitales para mejorar los modelos informáticos de productos, lo que ayudará a los ingenieros a comprender mejor el rendimiento y las limitaciones de las piezas, incluyendo la presión que pueden soportar antes de fracturarse. Con ello, el centro espera contribuir a promover la aplicación de la impresión 3D en la industria aeroespacial, haciéndola más eficaz para competir con las técnicas de fabricación tradicionales.
Estos componentes han sido sometidos a exhaustivas pruebas de fiabilidad y resistencia.
Por otro lado, el proceso de verificación es diferente si la fabricación se realiza en el espacio. Advenit Makaya, de la ESA, explica: «Existe una técnica que consiste en analizar las piezas durante la impresión». Este método ayuda a determinar qué productos impresos son adecuados y cuáles no. Además, existe un sistema de autocorrección para impresoras 3D diseñadas para el espacio, que se está probando en máquinas de metal. Este sistema puede identificar posibles errores en el proceso de fabricación y modificar automáticamente sus parámetros para corregir cualquier defecto en la pieza. Se espera que estos dos sistemas mejoren la fiabilidad de los productos impresos en el espacio.
Para validar las soluciones de impresión 3D, la NASA y la ESA han establecido estándares. Estos estándares incluyen una serie de pruebas para determinar la fiabilidad de las piezas. Consideran la tecnología de fusión de lecho de polvo y los están actualizando para otros procesos. Sin embargo, muchas empresas importantes de la industria de materiales, como Arkema, BASF, Dupont y Sabic, también ofrecen esta trazabilidad.
¿Vivir en el espacio?
Con el avance de la tecnología de impresión 3D, hemos visto muchos proyectos exitosos en la Tierra que utilizan esta tecnología para construir viviendas. Esto nos hace preguntarnos si este proceso podría utilizarse en un futuro próximo o lejano para construir estructuras habitables en el espacio. Si bien vivir en el espacio actualmente es poco realista, construir casas, especialmente en la Luna, puede ser beneficioso para los astronautas en misiones espaciales. El objetivo de la Agencia Espacial Europea (ESA) es construir cúpulas en la Luna utilizando regolito lunar, que puede emplearse para construir paredes o ladrillos que protejan a los astronautas de la radiación. Según Advenit Makaya, de la ESA, el regolito lunar está compuesto por aproximadamente un 60 % de metal y un 40 % de oxígeno, y es un material esencial para la supervivencia de los astronautas, ya que puede proporcionar una fuente inagotable de oxígeno si se extrae de este material.
La NASA ha otorgado una subvención de 57,2 millones de dólares a ICON para desarrollar un sistema de impresión 3D que permita construir estructuras en la superficie lunar. Además, colabora con la empresa para crear el hábitat Mars Dune Alpha. El objetivo es probar las condiciones de vida en Marte mediante la participación de voluntarios en un hábitat durante un año, simulando las condiciones del Planeta Rojo. Estos esfuerzos representan pasos cruciales hacia la construcción directa de estructuras impresas en 3D en la Luna y Marte, lo que podría allanar el camino para la colonización espacial humana.
En un futuro lejano, estas casas podrían permitir que la vida sobreviva en el espacio.
Hora de publicación: 14 de junio de 2023
