Made in space : additif en orbite

Les développements de la technologie d'impression 3D pourraient faire de la fabrication hors planète une réalité plus tôt que tard. Rapports de Stuart Nathan

L'espace, comme l'ont si bien dit les capitaines Kirk et Picard, est la dernière frontière. Et pas seulement pour l'exploration. Alors que les plans de présence humaine dans le système solaire se développent, les chercheurs recherchent de plus en plus des moyens d'étendre dans l'espace des zones d'activité humaine jusqu'ici terrestres. Comme une conférence récente au Centre de technologie de fabrication de Coventry l'a exploré, un domaine est la fabrication.

Un domaine de fabrication très spécifique est à l'étude : la construction de vaisseaux spatiaux et d'objets dont les explorateurs humains pourraient avoir besoin lors de leurs missions (qu'elles durent cinq ans ou même plus), tels que des abris, des habitats et des outils, dans l'espace. Les premières étapes commencent déjà à être explorées : l'assemblage en orbite d'engins spatiaux a connu un succès notable à la fin des années 1980 et au début des années 1990, avec la construction de la Station spatiale internationale (ISS) à partir de modules transportés par des lanceurs russes et la navette spatiale, et assemblés soit par des manœuvres d'amarrage autonomes, soit par des équipages d'astronautes.

La logique de la fabrication hors planète est la même que celle de la stratégie de construction de l'ISS : il est plus facile de construire in situ des objets de forme maladroite et de grande taille que de les construire sur Terre et de les lancer en orbite. Ils n'ont pas à résister aux vibrations et aux rigueurs du lancement, ni à être emballés pour un transport en toute sécurité. Seule compte la masse des matières premières à transporter.

Ceci, bien sûr, est théorique. C'est peut-être plus facile, mais la tâche de construire quelque chose doit encore être surmontée et, jusqu'à relativement récemment, très peu de techniques de fabrication établies étaient adaptées (ou pratiques) pour une utilisation dans des conditions de microgravité.

Les incursions précédentes de l'ingénieur dans ce secteur portaient sur des techniques telles que l'extrusion de plastiques pour fabriquer de longues flèches, mais la capacité de construire les principaux modules d'engins spatiaux, par exemple, faisait complètement défaut.

Cela a été changé par l'émergence des techniques de fabrication additive, qui prennent des formes très simples de matières premières, telles que la poudre ou le fil, et les transforment en formes géométriques tridimensionnelles relativement complexes. Ceux-ci permettraient de construire des structures complexes dans l'espace, avec la nécessité de transporter des matières premières sous une forme compacte en orbite.

Selon Tony Mears de l'Agence spatiale britannique, "[La fabrication additive] a le potentiel de bouleverser la fabrication spatiale comme rien d'autre. De la suppression du coût des machines traditionnelles à la création de nouvelles conceptions, la fabrication additive change notre approche des instruments optiques, des miroirs et même des moteurs de fusée. L'Agence spatiale britannique a financé des projets dans tous ces domaines jusqu'à mi-TRL (niveau de préparation technologique) et ils ont tous un avenir prometteur devant les applications commerciales. "

Toutes les techniques additives ne conviennent pas à une utilisation dans l'espace. La technique la plus communément appelée impression 3D, la fabrication additive sur lit de poudre - où un laser est utilisé pour faire fondre une poudre de métal ou de polymère pour construire un article tranche par tranche - n'est pas adaptée. Le professeur Richard Hague, directeur du centre de fabrication additive de l'Université de Nottingham, a expliqué à The Engineer qu'en l'absence de gravité, il serait impossible de consolider un lit de poudre à l'intérieur d'une imprimante 3D et, par conséquent, la technique serait impossible.

Cependant, une technique prometteuse est la fabrication additive fil + arc (WAAM). Dérivé du soudage, il utilise un effecteur à arc électrique monté sur le bras du robot pour déposer le métal d'un fil, quelle que soit la forme que le bras effecteur est programmé pour décrire. Comme il est simple pour un tel système de se déplacer en cercles, il est particulièrement bien adapté à la fabrication de cylindres et de sphères aux extrémités arrondies - qui sont tous deux des formes couramment utilisées pour les véhicules spatiaux et les habitats. Les réservoirs conçus pour contenir des gaz sous pression ont très souvent cette forme.

L'Université de Cranfield a joué un rôle clé dans le développement du WAAM et étudie les applications spatiales de cette technique. Plus tôt cette année, il a collaboré avec Thales Alenia Space et la société écossaise Glenalmond Technologies, qui se concentre sur l'utilisation de la technique avec des métaux de haute qualité, pour construire un prototype grandeur nature d'un récipient sous pression en alliage de titane conçu pour les applications spatiales. Pesant 8,5 kg et mesurant un mètre de long, le réservoir est fabriqué à partir de l'alliage Ti-6Al-4V, un matériau à rapport résistance/poids élevé couramment utilisé pour les applications dans les secteurs aérospatial et biomédical.

Lors de la conférence MTC, l'ingénieur concepteur Abdul Haque du Centre de recherche sur la fabrication avancée a parlé d'un projet de construction d'un réservoir sphérique de propulseur en titane pour un CubeSat, conçu pour contenir de l'ammoniac à utiliser dans un système de propulseur électrothermique activé par micro-ondes. Ce projet, avec le partenaire industriel AVS Space, a été entrepris dans le cadre d'AMRC/Space, qui a été créé en septembre 2018 pour explorer les opportunités dans la base de fabrication britannique afin de soutenir la vision du gouvernement d'une "grande ère spatiale britannique". Le réservoir répondait aux normes de pression interne nécessaires pour une telle application, a déclaré Haque.

Une autre application où la fabrication additive pour l'espace a suscité un grand intérêt est la construction d'habitats pour les astronautes sur la lune, en vue d'une application ultérieure dans des missions en équipage vers Mars. Encore une fois, le but est de supprimer le besoin de transporter des objets volumineux et lourds de la Terre vers des sites d'atterrissage ciblés. L'objectif dans ces cas est généralement d'utiliser l'utilisation des ressources in situ (ISRU) pour les matières premières pour construire les modules : en d'autres termes, d'utiliser un sol lunaire (ou martien), appelé régolithe. L'ISRU fait actuellement l'objet de beaucoup d'intérêt pour les missions de retour lunaire.

Avec de nouvelles missions lunaires désormais fermement inscrites au calendrier, l'intérêt pour les habitats additifs s'est intensifié, et à la fin du mois de mai de cette année, Laser Zentrum Hannover (LZH), un institut de recherche indépendant allemand, en association avec l'Institut des systèmes spatiaux de l'Université technique de Braunschweig (IRAS), a annoncé une nouvelle phase d'un projet appelé MOONRISE, qui a débuté en 2015. lith pour le redéposer dans un système d'extrusion d'additifs contrôlé par robot, participera à une mission lunaire dirigée par l'ESA d'ici la fin de 2021.

Le laser MOONRISE pèse 3 kg et l'équipe est en train de l'adapter pour qu'il s'intègre dans un tunnel à la base d'un rover lunaire. Avant la mission, le système sera testé pour s'assurer qu'il peut résister aux conditions de transit et fonctionner dans l'environnement de la Lune. Les tests sont maintenant en cours sur l'équipement depuis 10 mois. Le professeur Ludger Overmeyer, responsable de la recherche au LZH, a déclaré que le défi consistant à garantir la sécurité du processus et l'équipement dans le cadre du budget de masse est considérable, mais que les progrès sont prometteurs.

Le projet est financé par la Fondation Volkswagen, le plus grand bailleur de fonds indépendant d'Allemagne pour la recherche fondamentale, qui accorde des prix pour de nouveaux projets à raison de 100 millions d'euros (89 millions de livres sterling) par an. Malgré son nom, il n'est pas affilié au géant de l'automobile.

La NASA, quant à elle, a fait de la construction d'habitats imprimés en 3D sur Mars le sujet d'un concours, qui a achevé son avant-dernière et quatrième phase en avril. Les trois meilleures équipes à participer au concours, SEArch+/Apis Cor basé à New York, Zopherus de l'Arkansas et Mars Incubator de New Haven, Connecticut, ont partagé une bourse de 100 000 $ basée sur de courtes vidéos et des modèles imprimés en 3D miniatures pour montrer l'intérieur de leurs structures.

Chaque équipe a adopté une approche différente du problème. SEArch+/Apis Cor a développé une conception à plusieurs étages avec un renforcement structurel continu, grâce à sa structure en spirale et des ports le long du côté au-dessus du bâtiment pour laisser entrer la lumière ; Zopherus a utilisé une imprimante 3D itinérante conçue pour se déplacer d'un site à l'autre en construisant des structures supplémentaires ; et la conception de Mars Incubator se compose de quatre volumes séparés avec des objectifs différents, reliés par des ponts.

La phase finale du concours est terminée, avec trois finalistes qui s'affrontent pour construire des modèles grandeur nature de leurs structures, mais au moment de la rédaction de cet article, le gagnant (qui remportera un prix de 800 000 $) n'avait pas encore été annoncé.