Fabbricazione additiva per il nuovo spazio europeo

16 gennaio 2023 | Tempo di lettura: 5 min

L'industria del Nuovo Spazio, fin dalla sua nascita, è stata fortemente incentrata sugli Stati Uniti, ma con l'emergere di nuove tecnologie e di organizzazioni private che hanno investito nella nuova industria spaziale, l'attenzione geografica si è allargata fino a comprendere più parti del mondo. In questo articolo esploreremo la globalizzazione del New Space con tecnologie di frontiera, come la fabbricazione additiva e il ruolo crescente dell'Europa.

L'avanzata del nuovo spazio in Europa

La corsa allo spazio originale vedeva i Paesi contrapposti per essere i primi a uscire dall'atmosfera, i primi a sbarcare sulla Luna, ecc. Ma con il New Space, questi confini nazionali stanno iniziando a cadere. L'industria spaziale non è più solo un'impresa da perseguire da parte delle istituzioni governative, ma le aziende indipendenti stanno gradualmente iniziando a occupare una parte maggiore del settore, portando con sé competenze, spirito pionieristico, enormi quantità di finanziamenti privati e capitali di rischio e ambizioni (letteralmente) fuori dal mondo. Sono state molte le scoperte tecniche che hanno guidato questa nuova ondata spaziale, come le tecnologie di produzione avanzate, la miniaturizzazione dei satelliti e dei loro componenti, i sistemi di lancio riutilizzabili, i dispositivi di comunicazione basati sul laser, l'accensione al laser e l'intelligenza artificiale.

Nel complesso, l'Europa possiede una delle infrastrutture spaziali più avanzate, con molte operazioni governative e private che contribuiscono al progresso dell'industria spaziale. Questo non dovrebbe sorprendere più di tanto, dal momento che l'eccellenza industriale, scientifica e accademica di queste nazioni ha continuato a spingere i confini della tecnologia per decenni. Poiché molti di questi sviluppi - come la fabbricazione additiva - hanno applicazioni dirette e altamente vantaggiose per l'esplorazione spaziale, e con una storia di esplorazione spaziale così solida e un'infrastruttura rilevante, è logico che l'Europa sia coinvolta e svolga un ruolo chiave nell'industria del NewSpace e nel suo futuro. 

Il mercato europeo - e in particolare quello tedesco - dei player del New Space è in crescita. La "nuova" ambizione e l'entusiasmo del New Space, accesi dall'imprenditorialità visionaria delle startup emergenti che entrano nel settore, hanno raggiunto anche l'Europa negli ultimi anni. Ci sono state diverse aziende molto solide come Isar Aerospace, HyImpulse e Rocket Factory in Germania, Orbex e Skyrora in Gran Bretagna, nonché PLD Space e Pangea Aerospace in Spagna.

EOS ha collaborato con grandi aziende spaziali e start-up a livello globale, come partner per l'abilitazione di proof of concept (POC) e come fornitore di soluzioni AM seriali affidabili, compresa la personalizzazione della soluzione AM in base alle esigenze specifiche del settore. Il contributo centrale di EOS è stato quello di migliorare l'accesso degli attori del New Space alla tecnologia di produzione essenziale per realizzare e produrre i loro ambiziosi concetti in modo rapido, affidabile ed economico, rispettando gli obiettivi di performance. 

Questo spirito imprenditoriale tipico del New Space è stato promosso anche dall'Agenzia Spaziale Europea (ESA) attraverso ESA Space Solutions, che consiste in una rete di numerosi BIC (Business Incubation Centers) in tutta Europa. Ecco due esempi eccellenti di organizzazioni e progetti New Space attualmente fiorenti in Europa e di come la fabbricazione additiva abbia contribuito in modo significativo al loro sviluppo:

Il Prometeo dell'ESA

Il Gruppo Ariane, il Centro Nazionale Francese per gli Studi Spaziali (CNES) e l'ESA stanno lavorando insieme al progetto PROMETHEUS, una serie di nuovi motori a razzo a propellente liquido progettati con criteri di basso costo, flessibilità e riutilizzabilità. L'obiettivo del progetto è progettare, produrre e testare un motore avanzato a ossigeno liquido (LOx) e metano (LCH4) da 100 tonnellate. Questo motore è stato progettato per essere riutilizzabile per ridurre i costi e l'impatto ambientale. È inoltre destinato a funzionare in modo flessibile, con spinte variabili e impostazioni di accensione multiple per consentire un uso più completo per diversi tipi di lancio.

In precedenza, poche parti di motori a razzo con un ruolo funzionale e strutturale principale sono state realizzate con la produzione additiva. Il progetto PROMETHEUS mira a cambiare questa situazione, sfruttando la flessibilità di progettazione e i tempi di produzione ridotti dell'AM. Il progetto PROMETHEUS prevede di costruire fino al 70% del peso del motore con la fabbricazione additiva. Il risultato che si intende ottenere è l'ottimizzazione dei processi che favoriscono la produzione rapida di componenti di motori a basso costo, riducendo al contempo il numero di parti, accelerando la produzione e riducendo gli sprechi. Un esempio lampante di come la produzione additiva stia facendo evolvere i componenti di questo progetto è la pompa turbo monoalbero di Ariane, che è stata progettata e prodotta specificamente per i motori PROMETHEUS. Questi sforzi porteranno a una massiccia riduzione dei costi e della complessità dei lanci, consentendo all'industria spaziale europea di diventare più competitiva a livello internazionale.

Isar Aerospace

Una delle principali storie di successo emerse dall'ESA BIC Bavaria è stata la Isar Aerospace Technologies GmbH, con sede a Monaco di Baviera, che prende il nome dal fiume Isar che attraversa la città.  

Isar Aerospace sta lavorando per rendere l'accesso allo spazio più flessibile e conveniente per i satelliti di piccole e medie dimensioni e per le costellazioni satellitari. Il lanciatore Spectrum di Isar è stato sviluppato interamente in casa, utilizzando una combinazione di materiali e tecnologie avanzate. Uno degli obiettivi di Isar è quello di ridurre drasticamente le emissioni dei razzi di lancio, sostituendo i tradizionali combustibili tossici per razzi con le loro miscele di idrocarburi. A tal fine, Isar mira a costruire il primo motore LOX/idrocarburi ad alte prestazioni come alternativa ai motori a combustibile tossico. Isar Aerospace sta attualmente testando il primo dei suoi razzi ed è in procinto di garantire il primo lancio nel 2023. 

La produzione additiva ha avuto un ruolo centrale nel successo dello sviluppo del lanciatore e del motore Spectrum di Isar Aerospace, in cui EOS è stata direttamente coinvolta. Quando i requisiti dell'azienda per la produzione additiva hanno superato le possibilità offerte dalle macchine "standard", Isar Aerospace ha collaborato con EOS e AMCM per creare una macchina su misura che consente di utilizzare la produzione additiva esclusivamente all'interno dell'azienda e di spingersi oltre i limiti del possibile. Per Isar Aerospace, la produzione additiva offre il perfetto equilibrio tra malleabilità e progressione. Consente lo sviluppo di geometrie complesse in grado di raggiungere rapidamente i loro ambiziosi obiettivi prestazionali, rispettando le scadenze più impegnative durante il processo di prototipazione e produzione e assicurando un volume di consegna più elevato di pezzi durante il ramp up.

La produzione additiva ha affrontato direttamente la riduzione dei costi della complessità nell'industria spaziale, ottimizzando le parti più pesanti, che richiedono tempi di consegna più lunghi, più complesse e costose, come il gruppo della camera di spinta. Ciò ha richiesto la personalizzazione di sistemi e processi specifici per l'applicazione, che è stata resa possibile da AMCM. L'AMCM M 4K è dotato di un volume di costruzione maggiore. L'AMCM M 4K si è già affermato nella catena di fornitura del New Space come sistema affidabile per i pezzi mission critical, con una delle più grandi basi installate. Consente un ampio volume di costruzione di 450x450x1.000 mm con la possibilità di gestire la polvere in modo manuale o semiautomatico.

Quando abbiamo voluto potenziare i nostri processi di produzione additiva, abbiamo scelto di utilizzare la AMCM M 450. Si tratta di una macchina stabile di EOS che, grazie alla personalizzazione effettuata da AMCM, può ora fornire lo spazio di costruzione necessario richiesto dal progetto del nostro motore.

Vogliamo ottenere un elevato utilizzo delle macchine, quindi il tempo di non utilizzo tra i lavori di stampa è un parametro importante che deve essere ridotto. In particolare, penso alla gestione completamente automatica della polvere (cioè aspirazione, setacciatura e riempimento), su cui stiamo lavorando con AMCM per determinare risultati più efficaci.

Christian Wenzl, responsabile della produzione di Isar Aerospace

Dare forma al futuro del Nuovo Spazio

La manifattura additiva è stata uno strumento importante per la progettazione e la produzione di componenti nel settore del nuovo spazio. Ha permesso alle aziende di migliorare continuamente i processi di produzione e le capacità dei pezzi prodotti, ma per sfruttare appieno questi sviluppi è necessario integrarli con altre tecnologie.

La prossima generazione di lanciatori, motori e moduli delle aziende del New Space sarà fondamentalmente abilitata dalla continua evoluzione di tecnologie come la progettazione digitale, l'intelligenza artificiale, i nuovi materiali e i metodi di produzione, come la fabbricazione additiva. Le applicazioni a monte dell'industria del Nuovo Spazio sono in forte crescita: oltre alle mega costellazioni satellitari come Starlink di SpaceX o Kuiper di Amazon, recentemente l'UE ha annunciato la propria costellazione IRIS². Con l'emergere di un numero sempre maggiore di aziende europee specializzate nello spazio e nelle industrie correlate, il futuro dello spazio è innegabilmente globale.

Autore: Vinu Vijayan