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Oct 07, 2023

Mikrogravitationsfertigung kommt der Realität nur wenige Zentimeter näher

Aufgrund der Schwerelosigkeit, der extremen Temperaturen und der Vakuumbedingungen bietet der Weltraum für einige Produkte eine optimale Produktionsumgebung. Illustration mit freundlicher Genehmigung von Space Forge Ltd. Der ForgeStar

Aufgrund der Schwerelosigkeit, der extremen Temperaturen und der Vakuumbedingungen bietet der Weltraum für einige Produkte eine optimale Produktionsumgebung. Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Space Forge Ltd.

Der ForgeStar-Satellit soll zunächst zur Herstellung von Halbleitersubstraten und Superlegierungen eingesetzt werden. Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Space Forge Ltd.

Die meisten ForgeStar-Komponenten werden im eigenen Haus montiert. Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Space Forge Ltd.

Space Forge glaubt, dass wiederverwendbare Satelliten die nächste industrielle Revolution ermöglichen werden. Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Space Forge Ltd.

Pridwen verfügt über einen Hitzeschild aus Stoff, der sich mithilfe einer Origami-inspirierten Technologie falten und entfalten lässt. Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Space Forge Ltd.

Ein autonomes wasserbasiertes Rückgewinnungssystem wird Nutzlasten weltraumgefertigter Materialien bergen. Abbildung mit freundlicher Genehmigung von Space Forge Ltd.

Zuerst kam das Offshoring. Dann Reshoring und Nearshoring. Eines Tages könnten Hersteller auch über die Vorzüge einer „Above-Shoring“- oder „Offplane-Fertigung“ diskutieren.

Über die Herstellung im Weltraum wird seit Jahrzehnten gesprochen. Tatsächlich enthielten einige der ersten Ausgaben der Zeitschrift ASSEMBLY Ende der 1950er Jahre Artikel, die das Thema behandelten.

Das Konzept der Mikrogravitationsfertigung oder Produktion im Weltraum ist heute noch ein paar Jahre entfernt, aber es ist viel näher an der Realität als an der Fiktion. Mehrere Start-ups wie Redwire Space, Space Forge Ltd. und Varda Space Industries hoffen, ihre Aktivitäten in den nächsten zwei Jahren zu steigern.

Space Forge ist ein in Wales ansässiges Unternehmen, das kürzlich eine Niederlassung in den Vereinigten Staaten eröffnet hat. Außerdem wird hier derzeit eine hochmoderne Fabrik gebaut, in der kleine, wiederstartbare Satelliten zusammengebaut werden sollen.

Der strategische Schritt ist Teil des Plans des Unternehmens, seine Produktionspartnerschaften zu stärken und das wachsende Interesse der USA an Supermaterialien und Halbleitern zu nutzen. Viele Ingenieure sind fasziniert von der optimalen Produktionsumgebung im Weltraum, die durch Schwerelosigkeit, extreme Temperaturen und Vakuumbedingungen gekennzeichnet ist und neue Materialien hervorbringen kann, die reiner sind und weniger Fehler aufweisen.

„Insbesondere der Bedarf an der Herstellung von Halbleitern im Weltraum ist stark und wächst, angeheizt durch kommerzielle und Verteidigungsinitiativen wie die AUKUS Alliance“, sagt Joshua Western, CEO von Space Forge. „Da wir immer mehr Interesse an unserer Fähigkeit zur Herstellung von Supermaterialien wecken, sind Produktionskapazitäten in einem der größten Halbleitermärkte der Welt ein logischer nächster Schritt.“

Laut Western „findet die nächste industrielle Revolution nicht auf der Erde statt.“ Space Forge leistet mit einer neu startbaren Plattform namens ForgeStar Pionierarbeit beim Konzept der Mikrogravitationsfertigung als Dienstleistung. Der Satellit verfügt über sanfte Sinkflug- und hochpräzise Landefähigkeiten.

ForgeStar, das etwa die Größe eines kleinen Kühlschranks hat, wird bis zu sechs Monate im Orbit stationiert sein. Zunächst sollen damit Superlegierungen und Halbleitersubstrate hergestellt werden.

„Diese patentierte Technologie schützt die Nutzlastrückführung besser als herkömmliche ablative Kapseln, die von Wettbewerbern verwendet werden“, behauptet Western. „Sowohl ForgeStar-Fahrzeuge als auch Nutzlasten für US-Kunden werden in [unserem] neuen Werk hergestellt.“

Der Weltraum bietet eine ideale Umgebung für die Herstellung bestimmter Arten von Produkten. Insbesondere die Schwerelosigkeit birgt großes Potenzial für die Herstellung von Legierungen, Biopharmazeutika und Halbleitern der nächsten Generation.

„Das nahezu Vakuum des Weltraums ermöglicht perfekt gemischte und perfekt verteilte Substrate ohne jegliche Verunreinigungen“, erklärt Andrew Parlock, Geschäftsführer von Space Forge US. „Auch die Reinheit der Umgebung ist von Vorteil, da dort nur sehr geringe Mengen an Stickstoff und Sauerstoff vorhanden sind.

„Darüber hinaus bietet der Weltraum den Vorteil, dass optimale heiße oder kalte Temperaturen herrschen“, bemerkt Parlock, ein ehemaliger Manager bei Lockheed Martin und Northrop Grumman. „Man kann sich der Sonne zuwenden und hohe Temperaturen haben, oder sich von der Sonne abwenden und konstant kalte Temperaturen haben.

„Bei bestimmten Dingen, zum Beispiel bei Legierungen, haben wir bereits die Grenzen der Fertigung auf dem Planeten überschritten“, warnt Parlock. „Die Mikrogravitationsproduktion wird es uns ermöglichen, Tausende neuer Superlegierungen herzustellen.

„Einzigartige Bedingungen ermöglichen es uns, auf eine große Anzahl von Elementen zuzugreifen und diese zu kombinieren, die auf der Erde nicht verfügbar oder machbar sind“, sagt Parlock. „Es basiert auf einer faktoriellen Berechnung, das heißt, für jedes neue Element, das wir hinzufügen, erhöht sich die Anzahl der möglichen Legierungen um die Faktorzahl der Gesamtzahl der Elemente.“ Da uns der Weltraum Zugang zu viel mehr Elementen bietet als die Erde, ist die Zahl der neuen Legierungen, die wir herstellen können, exponentiell höher.“

Im Weltraum hergestellte Superlegierungen könnten in vielen bodenständigen Anwendungen von Vorteil sein, beispielsweise bei der Erhöhung der Festigkeit von Schrauben, die zur Montage von Rotorblättern von Windkraftanlagen verwendet werden.

„Die größte Einschränkung der Effizienz von Windkraftanlagen ist die Rotorblattlänge, die durch die Transportkapazität auf der Straße begrenzt wird“, erklärt Parlock. „Die offensichtliche Lösung besteht darin, die Rotorblätter in Abschnitte zu unterteilen und sie vor Ort zusammenzubauen.

„Allerdings ist dieser Verbindungspunkt, an dem sich die einzelnen Rotorblätter zu immer längeren Rotorblättern verbinden, ein besonders beanspruchter Punkt. Heutige Materialien können die Belastungen nicht effektiv bewältigen, was dazu führt, dass die Rotorblätter brechen oder sich verformen“, betont Parlock.

„Hier könnten Superlegierungen nützlich sein“, sagt Parlock. „Wir können im Weltraum Legierungen herstellen, die stark genug sind, um der Belastung an der Verbindungsstelle standzuhalten, sodass wir längere und effizientere Rotorblätter für Windkraftanlagen bauen können.“

Das Leitbild von Space Forge folgt einem einfachen Mantra: Starten, schmieden, zurückkehren und wiederholen. Der erste Schritt ist durch das Aufkommen kommerzieller Trägerraketenanbieter wie Blue Origin, SpaceX und United Launch Alliance seit Kurzem machbar.

„Um echte Skaleneffekte zu erzielen, müssen Sie Ihre Plattform zu einem wettbewerbsfähigen Preis wiederverwenden können“, sagt Parlock. „Die derzeitige Wirtschaftlichkeit der Herstellung, des Starts und der Rückgabe von Kleinsatelliten macht es jetzt möglich, Dinge zu tun, die in der Vergangenheit nicht kosteneffektiv waren. Dank einer Gruppe von Weltraumunternehmern wie Jeff Bezos und Elon Musk sind die Startkosten drastisch gesunken.

„Zunächst werden wir gemeinsam an Bord von SpaceX-Raketen mitfahren“, bemerkt Parlock. „Eine erdnahe Umlaufbahn (93 bis 1.200 Meilen hoch) bietet derzeit das beste Preis-Leistungs-Verhältnis. Zu den Vorteilen gehören günstige Startkosten, tolle Mitfahrgelegenheiten und relativ niedrige Strahlungswerte.“

Die erste Plattform von Space Forge mit dem Namen ForgeStar 1A wird Anfang nächsten Jahres in Betrieb gehen. Das Unternehmen plant jedoch, bis zum Ende dieses Jahrzehnts einen kommerziell rentablen wöchentlichen Dienst einzurichten.

Um dieses Ziel zu erreichen, wird ForgeStar mit hochpräzisen Landefunktionen für sanften Abstieg ausgestattet, die empfindliche Nutzlasten vor Beschädigungen schützen. Die Ingenieure von Space Forge haben ein wiederverwendbares Wiedereintrittssystem entwickelt, das die kostengünstige und zuverlässige Rückkehr von Satelliten zur Erde ermöglichen wird.

Pridwen, benannt nach dem mythischen Schild von König Artus, verfügt über einen Hitzeschild aus Stoff, der sich mithilfe einer Origami-inspirierten Technologie falten und entfalten lässt.

„Obwohl die Kosten für den Start von Satelliten ins All durch die Nutzung der Wiederverwendbarkeit geringer geworden sind, verwenden alle aktuellen kommerziellen Raumfahrtfahrzeuge ablative Hitzeschilde, die nach jedem Flug ausgetauscht werden müssen“, sagt Parlock.

„Pridwen verwendet eine Hochtemperaturlegierung, die groß genug ist, um die Wärme beim Wiedereintritt abzustrahlen, ohne das Material zu verbrennen, wodurch es vollständig wiederverwendbar ist“, fügt Parlock hinzu. „Dieser Schild ist viel größer als das Fahrzeug und lässt sich mithilfe einer modifizierten Origami-Technik zusammenfalten, um in den Werfer zu passen.“

Die Ingenieure von Space Forge verbrachten mehr als vier Jahre mit der Entwicklung des Systems, finanziert von der britischen Weltraumorganisation und der Europäischen Weltraumorganisation. Sie führten kürzlich eine erfolgreiche Versuchsreihe durch, bei der es sich um Plasmawindkanaltests an Schildproben, Ballonabwürfe in großer Höhe, Origami-Entfaltungstests und Überlebenstests auf See handelte.

Da viele im Weltraum hergestellte Produkte den Stoßkräften beim Wiedereintritt und bei der Landung ausgesetzt sind, haben die Ingenieure auch ein wasserbasiertes Schwebenetz namens Fielder entwickelt. Das unbemannte Fahrzeug manövriert sich unter einem Wiedereintrittsfahrzeug hindurch, um die Landung abzumildern und eine schnelle Rückkehr zu einem Hafen zu ermöglichen.

„Wir wollen ein Unternehmen für fortschrittliche Materialien sein, das die Fertigung im Weltraum zu seinem Vorteil nutzt“, sagt Parlock. „Wir werden zunächst kristalline Strukturen herstellen, die zur Herstellung von Halbleitersubstraten verwendet werden können. Dies könnte schließlich zur Herstellung von Mikrogravitationschips führen.“

Doch bevor dieser lang gehegte Traum von Science-Fiction-Autoren Wirklichkeit wird, müssen mehrere große Herausforderungen bewältigt werden. Einer davon ist der Mangel an Standards für die Fertigung im Weltraum. Ein weiteres verwirrendes Thema betrifft die kommerzielle Flugsicherung.

„Jedes Mal, wenn heute ein Start stattfindet, kommt es zu massiven Störungen des Flugverkehrs“, erklärt Parlock. „Jetzt reden wir darüber, regelmäßig Dinge aus dem Weltraum zurückzubringen. Derzeit gibt es keine Regelung, die die Rückführung von Nutzlasten zur Erde betrifft.“