Từ mẫu in thứ năm đến bước ngoặt sản xuất không trọng lực
In 3D kim loại không gian là quá trình sử dụng máy in kim loại đặt trên quỹ đạo, thường trong môi trường không trọng lực của ISS, để tạo ra chi tiết kim loại phục vụ cho sản xuất vũ trụ ISS, thử nghiệm khoa học và tương lai là cung ứng linh kiện ngay trong không gian cho tàu, vệ tinh và hạ tầng quỹ đạo. Kết quả mới nhất từ công nghệ ESA Columbus cho thấy đây không còn là ý tưởng khoa học viễn tưởng mà đang trở thành một năng lực công nghiệp thực tế. Máy in kim loại của ESA đặt trong module Columbus đã tạo thành công mẫu kim loại thứ năm, mang theo những động cơ phản lực in 3D đầu tiên sản xuất trực tiếp trên ISS và được phi hành gia Sophie Adenot thu hồi vào tháng 7. Đây là một bước ngoặt: lần đầu tiên, hệ thống đẩy vệ tinh được sinh ra trong môi trường mà nó sẽ hoạt động.
ESA Columbus và động cơ phản lực in 3D: bằng chứng mạnh mẽ nhất
Thành tựu của công nghệ ESA Columbus không chỉ là một mẫu kim loại đẹp, mà là bốn chi tiết hoàn chỉnh: hai phần lớn và hai động cơ phản lực in 3D cỡ nhỏ dành cho hệ thống đẩy vệ tinh, do Trung tâm Hàng không Vũ trụ Đức (DLR) thiết kế. Việc mẫu thứ năm – cũng là mẫu kim loại in 3D thứ năm từ ISS – mang về Trái Đất các động cơ phản lực in 3D đầu tiên sản xuất trong quỹ đạo là một tuyên bố rất rõ ràng rằng sản xuất không trọng lực đã đủ độ chín để chế tạo linh kiện nhạy cảm như hệ thống đẩy. DLR cố ý in hai phiên bản: một bản gần sát hình dạng thiết kế, một bản với thành dày hơn để còn gia công tinh sau đó. Cách tiếp cận này cho thấy họ đã nghĩ theo tư duy công nghiệp, không còn xem đây là trò “demo” công nghệ.
Khoa học phía sau: động lực nóng chảy và vận chuyển không trọng lực
Đằng sau những động cơ nhỏ bé đó là một chương trình khoa học bài bản về sản xuất không trọng lực. Phòng thí nghiệm quốc gia ISS cùng Quỹ Khoa học Quốc gia Mỹ đã tài trợ một nghiên cứu chuyên biệt về hiện tượng vận chuyển không trọng lực và cách chúng chi phối động lực nóng chảy của các hạt kim loại in 3D. Trong in 3D kim loại, việc các hạt bột nóng chảy và hòa trộn hoàn toàn quyết định độ bền và độ đồng nhất vật liệu; nếu chúng không tan chảy và trộn đều, khuyết tật sẽ xuất hiện và phá hỏng chi tiết. Trên Trái Đất, trọng lực tạo ra các dòng chảy che lấp ảnh hưởng của sức căng bề mặt và các lực khác, nhưng trong ISS, nhóm nghiên cứu có thể tách riêng các hiệu ứng phi trọng lực và xây dựng những mô hình chính xác hơn về cách hạt kim loại nóng chảy, lan rộng và kết dính.
Vì sao làm điều này trên ISS – và lợi ích cho Trái Đất
Không phải ngẫu nhiên mà ISS trở thành trung tâm thử nghiệm sản xuất vũ trụ ISS. Hơn 10 năm qua, phòng thí nghiệm quốc gia ISS và Quỹ Khoa học Quốc gia đã cùng tài trợ gần 100 dự án, tạo ra hơn 350 bài báo khoa học bình duyệt về mọi chủ đề từ công nghệ sinh học tới động lực học chất lưu và cháy nổ. Hai dự án mới nhất – về động lực nóng chảy của hạt kim loại và dòng hai pha trong vi trọng lực – được thiết kế để tác động trực tiếp đến sản xuất tiên tiến, hệ thống năng lượng và công nghệ chăm sóc sức khỏe. Một câu trích dẫn đáng nhớ trong bối cảnh này là: "The two newly selected projects will investigate fundamental processes that influence advanced manufacturing, energy systems, healthcare technologies, and other critical fields". Nói cách khác, chi tiết được in trong không gian, nhưng giá trị lại quay về mặt đất.
Tương lai: sản xuất vũ trụ như một chuỗi cung ứng mới
Điểm đáng chú ý nhất trong giai đoạn tiếp theo không nằm ở bản thân các chi tiết, mà ở kế hoạch kiểm chứng và so sánh chúng. DLR sẽ thử nghiệm các động cơ phản lực in 3D này trên bệ thử chân không tại Lampoldshausen, trong các thử nghiệm phun nóng với điều kiện làm việc mô phỏng thực tế để kiểm tra độ chính xác, khả năng chịu nhiệt và áp suất của linh kiện in trong không gian. Đồng thời, họ sẽ so sánh trực tiếp với các động cơ cùng thiết kế nhưng in trên Trái Đất, nhằm đo đạc xem sản xuất không trọng lực đã “khác” như thế nào về cả chất lượng cấu trúc lẫn hiệu năng vận hành. Kết luận quan trọng nhất ở đây: "The results will help us further optimise metal 3D printing for future in-space manufacturing". Nếu các thử nghiệm thành công, quỹ đạo thấp quanh Trái Đất có thể trở thành một mắt xích mới trong chuỗi cung ứng công nghiệp – nơi in 3D kim loại không gian không còn là ngoại lệ mà là chuẩn mực cho những nhiệm vụ xa hơn ra Mặt Trăng và Sao Hỏa.
