Para avançar na colonização espacial, nova pesquisa explora impressão 3D em microgravidade

As missões alargadas no espaço exterior exigem o fabrico de materiais e equipamentos cruciais no local, em vez de transportar esses itens da Terra. Membros da Equipe de Pesquisa em Microgravidade disseram acreditar que a impressão 3D é a maneira de fazer isso acontecer.

Os experimentos recentes da equipe se concentraram em como um ambiente de microgravidade sem peso afeta a impressão 3D usando espuma de titânia, um material com aplicações potenciais que vão desde o bloqueio de UV até a purificação de água. Materiais e Interfaces Aplicados ACS publicaram suas descobertas.

“Uma espaçonave não pode transportar recursos infinitos, então você tem que manter e reciclar o que tem e a impressão 3D permite isso”, disse o autor principal Jacob Cordonier, estudante de doutorado em engenharia mecânica e aeroespacial na WVU Benjamin M. Statler College of Engenharia e Recursos Minerais. “Você pode imprimir apenas o que precisa, reduzindo o desperdício. Nosso estudo analisou se uma espuma de dióxido de titânio impressa em 3D poderia proteger contra a radiação ultravioleta no espaço sideral e purificar a água.

“A pesquisa também nos permite ver o papel da gravidade na forma como a espuma sai do bico da impressora 3D e se espalha sobre um substrato. Vimos diferenças no formato do filamento quando impresso em microgravidade em comparação com a gravidade da Terra. E alterando variáveis ​​adicionais no processo de impressão, como velocidade de escrita e pressão de extrusão, somos capazes de pintar uma imagem mais clara de como todos esses parâmetros interagem para ajustar o formato do filamento.”

Os coautores de Cordonier incluem atuais e ex-alunos de graduação Kyleigh Anderson, Ronan Butts, Ross O’Hara, Renee Garneau e Nathanael Wimer. Também contribuíram para o artigo John Kuhlman, professor emérito, e Konstantinos Sierros, professor associado e presidente associado de pesquisa no Departamento de Engenharia Mecânica e Aeroespacial.

Sierros supervisiona os estudos de espuma de titânia da equipe de pesquisa de microgravidade desde 2016. O trabalho agora acontece em seus laboratórios WVU, mas originalmente exigia um passeio em um Boeing 727. Lá, os alunos imprimiram linhas de espuma em lâminas de vidro durante períodos de ausência de peso de 20 segundos quando o jato estava no topo de sua trajetória de vôo parabólica.

“Transportar até mesmo um quilograma de material no espaço é caro e o armazenamento é limitado, por isso estamos investigando o que é chamado de ‘utilização de recursos in-situ’”, disse Sierros. “Sabemos que a Lua contém depósitos de minerais muito semelhantes ao dióxido de titânio usado para fazer a nossa espuma, por isso a ideia é que não é necessário transportar equipamento daqui para o espaço porque podemos extrair esses recursos na Lua e imprimir o equipamento. isso é necessário para uma missão.”

O equipamento necessário inclui escudos contra a luz ultravioleta, que representa uma ameaça para os astronautas, a electrónica e outros bens espaciais.

“Na Terra, a nossa atmosfera bloqueia uma parte significativa da luz UV – embora não toda, e é por isso que ficamos queimados de sol”, disse Cordonier. “No espaço ou na Lua, não há nada que possa mitigar isso além do seu traje espacial ou qualquer revestimento que esteja na sua espaçonave ou habitat.”

Para medir a eficácia da espuma de titânia no bloqueio das ondas UV, “iluminaríamos a luz que vai desde os comprimentos de onda ultravioleta até o espectro de luz visível”, explicou ele. “Medimos quanta luz estava passando pelo filme de espuma de titânia que imprimimos, quanto foi refletido de volta e quanto foi absorvido pela amostra. Mostramos que o filme bloqueia quase toda a luz UV que atinge a amostra e muito pouca luz visível fica mesmo com apenas 200 mícrons de espessura, nosso material é eficaz no bloqueio da radiação UV.”

Cordonier disse que a espuma também demonstrou propriedades fotocatalíticas, o que significa que pode usar a luz para promover reações químicas que podem fazer coisas como purificar o ar ou a água.

O membro da equipe Butts, estudante de Wheeling, conduziu experimentos em testes de ângulo de contato para analisar como as mudanças na temperatura afetaram a energia superficial da espuma. Butts chamou a pesquisa de “um tipo diferente de desafio que os alunos nem sempre enfrentam” e disse que valorizava especialmente o componente de engajamento.

“Nossa equipe faz muito contato com jovens estudantes como os escoteiros por meio da Merit Badge University na WVU. Mostramos a eles o que fazemos aqui como uma forma de dizer: ‘Ei, isso é algo que você também pode fazer ‘”, disse Butts.

De acordo com Sierros, “Estamos tentando integrar a pesquisa nas carreiras dos estudantes desde o início. Temos um subgrupo de estudantes que é puramente hardware e eles fabricam as impressoras 3D. Temos estudantes liderando o desenvolvimento de materiais, automação e análise de dados. Os alunos de graduação que têm feito este trabalho com o apoio de duas bolsas muito competitivas da NASA e participam de todo o processo de pesquisa. Eles publicaram artigos científicos revisados ​​por pares e apresentados em conferências.”

Garneau, uma estudante pesquisadora de Winchester, Virgínia, disse que seu sonho é que sua impressora 3D – projetada sob medida para ser compacta e automatizada – faça uma viagem de seis meses até a Estação Espacial Internacional. Isso permitiria um monitoramento mais extenso do processo de impressão do que foi possível durante as quedas livres de 20 segundos.

“Esta foi uma experiência incrível”, disse Garneau. “Foi a primeira vez que participei de um projeto de pesquisa que não tinha resultados pré-determinados como o que vivenciei em aulas baseadas em pesquisa. Foi muito gratificante analisar os dados e chegar a conclusões que não eram baseadas em expectativas fixas .

“Nossa abordagem pode ajudar a ampliar a exploração espacial, permitindo que os astronautas usem os recursos que já têm à sua disposição sem a necessidade de uma missão de reabastecimento”.