Construcción del primer cohete espacial impreso en tecnología 3D
Últimamente vuelve a estar de moda la carrera espacial, especialmente por los éxitos de SpaceX, con los exitosos lanzamientos de las cápsulas Dragon o bien el ambicioso proyecto de la Starship que pretende llevar humanos a Marte. No son los únicos, hay otros que están dando pasos agigantados como por ejemplo Blue Origin (del magnate de Amazon Jeff Bezos) con los lanzadores New Glenn. Pero hay uno que, no se si estará a la altura de los mencionados (de momento), pero que si logra su objetivo será toda una revolución en el mundo de los lanzadores espaciales. Se trata de Relativity Space y tienen como objetivo fabricar lanzadores espaciales impresos en 3D casi en su totalidad.
Se trata de una compañía fundada en 2015 por Tim Ellis y Jordan Noone (ex trabajadores de Blue Origin y SpaceX respectivamente) con el objetivo de poder fabricar cohetes espaciales impresos en 3D. Es conocido que tanto SpaceX como Blue Origin ya fabrican piezas impresas con esta tecnología. Por ejemplo en SpaceX algunas piezas de los motores SuperDraco. Pero estas compañías aún basan su construcción con técnicas mas tradicionales. El caso de Relativity Space es diferente, quieren fabricar cohetes casi al completo impresos en 3D. Según sus creadores este método de construcción puede mejorar los cohetes y hacerlos mas baratos.
El coste total de un cohete no viene determinado por la materia prima, normalmente esta es barata. La mano de obra para la transformación de esta materia prima es lo que encarece el coste en su construcción. Y esto se puede reducirse necesitando menos mano de obra y cambiando los procedimientos de fabricación. Blue Origin o SpaceX han automatizado gran parte de la fabricación y han revolucionado el sector con la reutilización de piezas como las primeras etapas de los lanzadores. Pero aún así dependen de métodos tradicionales de fabricación, con miles de piezas que tienen que ser ensambladas con mucho cuidado.
El desafío de Relativity Space es la fabricación aditiva de complejas piezas de una vez. Esto reduce muchísimo el número de piezas y también el desarrollo de los prototipos, ya que si una pieza tiene que mejorarse simplemente hay que imprimir una nueva con los cambios sin tener que ensamblar nada. Una buena comparación sería con el transbordador espacial. El transbordador espacial constaba de dos millones y medio de piezas móviles. Y que decir que todas ellas deben encajar a la perfección. Cada pieza tiene sus ingenieros, técnicos, herramientas especiales y gran cantidad de documentos. Con la impresión 3D muchas de estas piezas se pueden fabricar en conjunto reduciendo los costes y, muy importante, reduciendo las probabilidades de que algo salga mal. A más piezas más probabilidad de fallo.
Por poner un ejemplo, se puede imprimir un tanque de combustible de 2 metros de diámetro y después uno de 3 metros con un tiempo de inactividad mínimo. Solo se tendrán que hacer ajustes en el software de impresión (lo que se dice cargar el modelo que quieras imprimir), cargar el material y a imprimir. En los métodos tradicionales después de la fabricación de un componente, se tiene que habilitar las instalaciones para el siguiente, habiendo de por medio un tiempo de inactividad excesivo.
Otro ejemplo comparativo seria con el motor F-1 de los cohetes Saturno V donde la cámara de combustión contiene un total de mas de 5000 piezas, cada una fabricada individualmente. El motor Aeon 1 de Relativity Space está fabricado con impresoras 3D comerciales que utilizan un método llamado metal laser sintering, en el que un láser fusiona partículas de polvo metálico creando capa a capa la pieza. Su versión mas simple esta fabricada solamente en tres piezas. Pero aún van mas allá, piensan que pueden realizar esto de una sola pieza con futuras impresoras.
Normalmente diseñar y fabricar un solo motor para poner en el banco de pruebas se traduce en una carga de trabajo enorme. De media esto puede suponer unos 12 meses de trabajo con el método tradicional. Si se tiene que modificar la pieza puede llevar el mismo tiempo. Relativity Space han conseguido probar hasta cinco versiones distintas de su motor Aeon en 14 meses y encenderlos hasta 100 veces.
Hoy en día tienen unas instalaciones de 120.000 metros cuadrados en Long Beach (California) y distintas zonas de test, como por ejemplo en Mississippi. Y en 2019 se le otorgó el derecho para poder utilizar la plataforma de lanzamiento LC-16 de Cabo Cañaveral convirtiéndose en la cuarta compañía en poder utilizar estas instalaciones después de SpaceX, ULA i Blue Origin. Esta histórica plataforma se utilizó para misiones de lanzamiento de misiles Titan, el programa lunar Apolo, Gemini i lanzamiento de misiles Pershing.
Y para lograr tal proeza han diseñado y patentado una impresora 3D a medida, llamada Stargate. Normalmente este tipo de construcciones se realizan en grandes almacenes o búnkeres de miles de metros cuadrados, pero Stargate trabaja en un habitáculo mas pequeño. La mayor parte de las piezas se fabrican en una habitación de 9 metros de ancho.
Las impresoras comerciales que hay hoy en día son idóneas para la fabricación de los motores, pero no son prácticas para la fabricación de los tanques. Estas impresoras funcionan fundiendo polvo metálico para crear capas de material sólido. Parte de este polvo sobrante se puede reciclar, pero hay una parte que se pierde. Para producir un tanque con esta tecnología se requeriría una gran cantidad de polvo metálico y de tiempo.
Esta es la razón por la que diseñaron y construyeron Stargate. Esta impresora utiliza una técnica llamada deposición dirigida de energía. La impresora alimenta un alambre de metal en el área de deposición y utiliza un láser potente para fundir dicho alambre y así creando capa a capa. Stargete funde el material solamente donde se le necesita, lo que reduce significativamente el material desperdiciado. Utiliza tres brazos robóticos, uno de los cuales es el que tiene el cabezal de impresión. Los otros dos sostienen otro tipo de herramientas para acabar con la pieza.
Otra parte importante a resaltar en este cohete seria la electrónica. Con los métodos tradicionales ya hemos comentado que cada cambio requiere una gran cantidad de tiempo. Esto favorece a los ingenieros electrónicos que pueden rediseñar y realizar cambios de forma mas ágil. Pero en los cohetes de Relativity Space esto es todo lo contrario. Se pueden realizar grandes cambios de hardware en unos días, lo cual supone todo un reto para los ingenieros electrónicos para actualizar las PCB o los cableados si se requiere.
Para solucionar este problema, la aviónica del Terran 1 ha sido diseñada para que sea lo mas modular posible. Por ejemplo han patentado un tipo de bus que minimiza el numero de conectores, pines y cableado. Y siempre que sea posible utilizan estándares del tipo CAN (Controlled Area Network) y Ethernet para comunicar los microcontroladores con los dispositivos. Con estos protocolos pueden utilizar sistemas y herramientas ya existentes y así evitar los errores en la creación de protocolos propios.
El cohete Terran 1 mide unos 30 metros de alto y 2 metros de ancho y está diseñado para lanzar pequeños satélites en órbita baja, eso si, a un coste muy inferior comparado con los lanzadores actuales. Esta carga sería de unos 1250kg. La primera etapa del Terran 1 consta de nueve motores, cada uno con un empuje de 23000 libras a nivel de mar.
La capacidad de fabricación de las piezas de este cohete estiman que es de 30 días. Una vez impresas las piezas el ensamblaje se daría en otros 30 días mas. Por lo tanto, según Relativity Space, están convencidos que pueden hacer volar un cohete con tan solo 60 días.
Pero aún van mas allá, con una impresora pueden imprimir 1 pie de longitud del cohete (110 en total) por día. Con seis impresoras podrían imprimir un cohete en unas dos / tres semanas.
El coste del lanzador rondaría los 10 millones de dólares. Otras empresas como Rocket Labs y su cohete Electron pueden lanzar cargas útiles de mas de 150kg, pero según Relativity Space su cohete podría ser dos o tres veces mas barato lanzando múltiples cargas a la vez.
En principio tenían pensado hacer el primer lanzamiento para finales de 2020, pero debido a unos cambios en el carenado del Terran 1 lo han desplazado para el otoño de 2021.
Pero la finalidad de esta empresa no solo es llegar a órbita baja. Su finalidad es mucho mas ambiciosa y se llama Marte. Según Relativity Space quieren ayudar en la creación de una colonia permanente en marte de una forma rápida y sostenible y con poco trabajo. La fabricación de cohetes en la Tierra lo quieren usar como trampolín para poder utilizar la tecnología 3D en Marte. Su objetivo es poder imprimir en Marte cohetes 3D para poder hacer el viaje de regreso a la tierra.
Lo que si está claro es que esta empresa está tratando de dar un gran salto en la industria aeroespacial. No sabemos si tendrán éxito con el proyecto, pero lo que si tenemos claro es que la idea es brillante y si siguen así conseguirán sus objetivos seguros.