Heeft de wereld een 3D-geprinte raket nodig?

Een afbeelding van een 3D-geprint raketstuk Damon Casarez

De ooit ongerepte witte vloeren in Relativiteitsruimten PR-foto's zijn nu geschaafd en bedekt met het residu van een typische machinewerkplaats. In zijn magazijn aan de rand van Los Angeles hangen drie robotarmen imposant naast een container gevuld met een spoel van metaaldraad. Het deksel van de container heeft een gekarteld gat alsof iemand er op een slechte dag doorheen heeft geslagen; ducttape is geslagen om de scherpe randen te bedekken. Dit is een machine die tot het uiterste is gedreven, in dienst van een verheven doel. Onder leiding van de oprichters, Tim Ellis en Jordan Noone, probeert Relativity in slechts 60 dagen 95% van zijn raket, Terran 1, te maken met behulp van 3D-printen.

U leest het goed: het plan is om in twee maanden van grondstof naar lanceerklare raket te gaan. Als het gewaagd klinkt, is dat omdat het zo is. enorm. 3D-printen heeft een moment in de ruimtevaartindustrie - iedereen, van SpaceX tot Blue Origin tot minder bekende startups en oude raketwinkels, sleutelen aan de technologie, en sommigen zijn zelfs zo ver gegaan dat ze hun eigen motoren helemaal opnieuw hebben geprint. Maar zelfs ingenieurs op het snijvlak van 3D-geprinte raketten weten niet wat ze moeten denken van het startende bedrijf van Ellis en Noone. En meer dan één denkt dat ze gewoon gek zijn.

Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van juli 2019

• Zie de rest van het nummer
• Abonneren

Traditioneel is de lucht- en ruimtevaartindustrie niet snel veranderd, en met een goede reden: raketten zijn gecontroleerde explosies die enorme sommen geld en soms mensenlevens op het spel zetten. Relativiteit probeert sceptici en tegenstanders te overtuigen met een testlancering in 2020. Ze hebben nog niet eens een hele raket geprint.

In de kern bestaan ​​raketten uit vier hoofdsystemen: nuttige lading, geleiding, voortstuwing en constructies. De lading is wat de raket ook vervoert. De geleiding bestaat uit sensoren die het vaartuig op koers houden, en de voortstuwing bestaat uit de brandstof en de motor die ervoor zorgen dat het gaat. De structuren zijn de rest van het frame, de kegel en de vinnen van de raket-onderdelen die doorgaans worden vervaardigd met behulp van ultraprecieze CNC-freesmachines en handlassen.

Dat is allemaal een manier om te zeggen dat achter elke succesvolle lancering een enorme hoeveelheid arbeid en een uitgebreid netwerk van leveranciers schuilgaan die samenwerken om elk voertuig te assembleren. Door de supply chain te stroomlijnen, hoopt Relativity de productietijd fors te verkorten.

Maar dit doel om Terran 1's meer dan 100 voet hoge (30 meter) buitenkant en brandstoftank te printen, brengt een extra uitdaging met zich mee: het creëren van printers die de taak kunnen volbrengen. Het bouwen van een raketbedrijf is moeilijk, het bouwen van een 3D-printbedrijf is moeilijk, en beide tegelijk bouwen is gek, zegt Ellis, CEO van Relativity. Maar hoewel dit het moeilijkste deel van het werk is, is het ook de geheime saus die van Relativity een wereldveranderend bedrijf zal maken.

Als Terran I de ruimte wil bereiken, moet zijn 11 meter hoge brandstoftank als een droom werken. Damon Casarez

Er is echter nog een weg te gaan voordat we de wereld veranderen. We gaan geen raket vliegen tenzij we deze metalen 3D-printtechnologieën laten ontwikkelen, geeft Ellis toe. Dus dat geeft nogal wat existentiële schop onder de kont om erachter te komen, want dit is de enige manier waarop we ons doel daadwerkelijk gaan bereiken.

Kinderen van de Sterrenpoort

Relativity's eenzame 20 meter hoge printer, Stargate, bedient het bedrijf sinds het in 2017 de stealth-modus verliet, maar het staat eindelijk op het punt een pauze te nemen. In een nabijgelegen gebouw staan ​​vier vernieuwde, kant-en-klare modellen. Elk wordt afgeschermd door lange zwarte kleppen die van het magazijnplafond naar de vloer lopen en hun nieuwheid verraden met een doordringende plastic geur. Aan de ene hangt een kleine speelgoedbasketbalring - alsof hij tot nu toe vaker als bord dan als raketprinter wordt gebruikt.

Een gigantische afbeelding die over de muur spat, toont een gehoopte visie op de toekomst van het bedrijf: een magazijn vol met niets anders dan Stargates, kleinere printers en robotarmen. Een paradijs voor ingenieurs en de nachtmerrie van een machinist. Het zijn de robots die de krantenkoppen van onze banen halen in muurschilderingvorm.

De kolossale machines lijken te grijnzen om tientallen jaren van raketmontage. Tijdens het Apollo-programma hadden ingenieurs grote moeite om perfecte lassen op de Saturn-rakettenreeks te krijgen. Zelfs ervaren lassers moesten een gespecialiseerde training krijgen om de lange, nauwkeurige laspassages te voltooien die nodig waren. Nu is een robot het hele ding aan het lassen.

Het bouwen van een raketbedrijf is moeilijk, het bouwen van een 3D-printbedrijf is moeilijk, en beide tegelijk bouwen is op het randje.

Stargate en zijn nakomelingen gebruiken een variant van wat bekend staat als gerichte energiedepositie. Traditionele productiemethoden omvatten het snijden van een afgewerkt product uit een blok materiaal. 3D-printen bouwt in plaats daarvan een object laag voor laag op, waardoor lichtgewicht objecten kunnen worden gemaakt met ingewikkelde interne structuren die op geen enkele andere manier kunnen worden gemaakt. De meest voorkomende vorm van 3D-printen wordt fused deposition-modellering genoemd: een materiaal, vaak plastic, wordt gesmolten en in precieze patronen uit een spuitmondje geperst om een ​​object te bouwen. Combineer dat met lassen en je hebt gerichte energiedepositie.

De basis van het lassen omvat het leveren van een gestage stroom metaaldraad met de ene hand en warmte met de andere. Stargate doet dit automatisch en voert draad uit een extruder aan het uiteinde van een hoge robotarm. Het metaal wordt verwarmd met elektrisch plasma (en soms een laser) en vervolgens neergelegd volgens de instructies van een computer. Een combinatie van elektronische bedieningselementen, warmtebeeldcamera's en sensoren die zijn gemonteerd in de buurt van waar het materiaal wordt gedeponeerd, past de afdruk aan terwijl deze wordt gemaakt. Onze visie op 3D-printen is softwaregedefinieerde automatisering voor de ruimtevaart, zegt Ellis. Dat komt in de buurt van de langetermijnvisie van 3D-printende raketten op Mars. Dit zijn precies de tools die we nodig hebben om dingen op andere planeten te bouwen.

De manier waarop Ellis over zijn bedrijf praat, doet denken aan Elon Musks opgetogenheid over SpaceX en Tesla, alleen zegt Ellis dat hij een stukje van de Mars-puzzel aan het voltooien is die Musk nog niet aanpakt. De gedachte is om twee producten te hebben. Een daarvan is het raketlanceervoertuig. De andere is de fabriek, zegt hij. Na verloop van tijd zien we dat de fabriek die we zien kleiner en kleiner en kleiner wordt, totdat het uiteindelijk iets is dat we eigenlijk gewoon op een grote raket kunnen lanceren. Jij bouwt de machine die de machine maakt. En dan lanceren naar Mars. Gemakkelijk.

Relativity zette vorige maand een kleine stap in de richting van die visie en kondigde aan dat het een negenjarige huurovereenkomst had getekend met NASA voor een 220.000 vierkante meter grote faciliteit in Mississippi die de eerste autonome raketfabriek zal worden.

Zelfs collega-raketbedrijven die agressief 3D-printen nastreven (ook wel additive manufacturing genoemd) zijn er niet helemaal van overtuigd dat de toekomst er zo uitziet. Rocket Lab, een van de weinige kleine satellietdraagraketten die commerciële vluchten vliegen, vertrouwde op additieve fabricage om motoren, kleppen, spruitstukken en een aantal andere complexe componenten te maken; de CEO, Peter Beck, zegt: We kunnen het volume en de prestaties van de motoren die we nu produceren onmogelijk produceren zonder 3D-printtechnologie. Maar een hele raket? Een avionica-doos of -tank of iets dergelijks gaan printen heeft geen enkele zin, omdat er veel efficiëntere processen zijn om dat te doen, zegt Beck. Ik wil niet regenen op Tims parade. Ik wens hem het allerbeste, maar vanuit technisch oogpunt heeft het voor ons geen enkele zin.

Uiteindelijk zijn klanten degenen die bewijs nodig hebben van de wijsheid van de Relativity-methode. Zoals de meeste raketbedrijven voor hun eerste lancering, verkoopt Relativity zijn klanten op testgegevens en het team dat is samengesteld. Uiteindelijk is het een overtuiging en een sprong in het diepe dat we gaan uitvoeren, zegt Ellis. Maar ja, het is een behoorlijk grote. En zeker, het is een proces om er te komen.

Blijkbaar zijn sommige klanten bereid die sprong te wagen. Relativity heeft al publiekelijk drie klanten aangekondigd met lanceringen geboekt voor 2021 en 2022: het Canadese communicatiebedrijf Telesat, het in Washington gevestigde Spaceflight (dat helpt bij het coördineren van satellietritten bij grotere lanceringen) en Thailand's mu Space. Niemand zegt dat zodra Relativity laat zien dat het in 2020 succesvol kan lanceren, het van plan is het aantal vluchten dat het elk jaar lanceert te verhogen tot 12 tot 24.

Dit soort agressieve tijdlijnen zijn ingebakken in de overlevering van het bedrijf. Drie jaar geleden, kort nadat Ellis en Noone elk hun eerste baan bij respectievelijk Blue Origin en SpaceX hadden verlaten, pitchten ze investeerder Mark Cuban via e-mail om startkapitaal te vragen. Het bericht had de onderwerpregel Space is sexy: 3D-printen van een hele raket. Cuban, die het grootste deel van zijn zaken via e-mail doet, antwoordde vijf minuten later dat hij $ 500.000 wilde investeren. Twee maanden later deed hij dat. Volgens Cuban was het niet alleen het additieve productie-element dat zijn aandacht trok. Het idee was uniek. Ik wou dat ik er aan had gedacht, zegt hij. Ze waren gekwalificeerd en ze waren lokaal. (Ellis komt uit Texas, waar Cubaanse woont.)

Sinds de infusie heeft Relativity zijn voet op het gas gezet. In het afgelopen jaar is het gegroeid van 14 mensen naar meer dan 80. Het team bestaat nu uit Tim Buzza, een van de eerste SpaceX-medewerkers en voormalig VP van lancering voor zowel SpaceX als Virgin Orbit, en David Giger, een 12-jarige SpaceX-medewerker die diende als senior director of engineering voor de Dragon-capsule van het bedrijf.

Mensen zijn nog steeds op de hoogte van de Stargate-printers van Relativity - voorlopig in ieder geval. Damon Casarez

Ik wil niet regenen op Tims parade. Ik wens hem het allerbeste, maar vanuit technisch oogpunt heeft het voor ons geen enkele zin.

Ellis, de frontman voor het aannemen en aantrekken van kapitaal, lijkt geen moeite te hebben om mensen op alle niveaus voor zich te winnen. Hij heeft een plekje in de gebruikersadviesgroep van de National Space Council van het Witte Huis, en contracten en geld stromen het bedrijf binnen. Relativity heeft een serie B-financieringsronde van $ 35 miljoen afgesloten, een deal gesloten met NASA om zijn motoren te testen in het Stennis Space Center in Mississippi (dezelfde faciliteit waar zijn autonome fabriek uiteindelijk zal gaan), en toestemming gekregen om te lanceren op een van de meest concurrerende lanceerplaatsen in de wereld: Cape Canaveral in Florida.

Deze laatste coup, aangekondigd in januari, zorgt ervoor dat de Terran 1 wordt gelanceerd vanaf het heilige Launch Complex 16, dat ooit gastheer was voor de lancering van Titan-raketten, het Apollo-programma en het Gemini-programma. Dergelijke opvallende bewegingen hebben de naam van Relativity gedwongen tot gesprekken over bedrijven als SpaceX, Blue Origin en United Launch Alliance, voorheen de enige drie outfits met vergunningen om op te stijgen vanaf Cape Canaveral.

Een raket printen betekent testsecties maken, in stukjes snijden en nog eens testen. Hebben we het al gehad over testen? Damon Casarez

Afdrukken gaat van start

Relativiteit is verre van de enige in de hoop dat 3D-printen het in de elite van ruimtevluchten zal stuwen. Startups, waaronder Virgin Orbit, Firefly en Electron, wedijveren allemaal om te bewijzen dat ze, net als Rocket Lab, het in zich hebben om kleine satellieten de ruimte in te lanceren. Zelfs gevestigde bedrijven zoals Aerojet Rocketdyne proberen te bewijzen dat 3D-printen vergelijkbaar is met - of zelfs betrouwbaarder is dan - traditionele productietechnieken.

Maar niemand gaat er zo hard en snel voor als de relativiteitstheorie. Aerojet bouwt motoren voor overheidscontracten en door mensen beoordeelde raketten zoals NASA's Space Launch System, die extra consistent en betrouwbaar moeten zijn. Het bedrijf zegt dat meer dan 60% van zijn onderzoek en ontwikkeling voor 3D-printen niets meer is geweest dan het opzetten van een database met de chemische en structurele eigenschappen van verschillende materialen. Anderen slaan dat misschien een beetje over, en dat is hun recht om dat te doen als een risicoaccepterende houding, zegt Jeff Haynes, senior manager geavanceerde programma's van Aerojet.

Als we daarentegen bij Relativity een volledig geprinte motor op de testopstelling zetten, met succes afvuren en ermee vliegen, dan is dat voor ons een succes, zegt Noone. Je zou honderden pagina's met specificaties kunnen schrijven die je vertellen hoe je daar moet komen en hoe je het moet produceren, maar we hebben onze manieren waarop we het doen. Ik zou niet vast willen zitten aan het maken van de specificatie in plaats van gewoon iets te proberen en aan te tonen dat het werkt.

Dat snel handelen en de mentaliteit breken, zou voor de meeste raketontwerpers tot veel slapeloze nachten leiden. Virgin Orbit, een concurrent van Relativity's, heeft additief vervaardigde onderdelen op zijn eerste LauncherOne-raket, maar het bedrijf gaat graag rustig aan met trendy technologie. De LauncherOne-voertuigmotor maakt momenteel gebruik van zeer betrouwbare productiemethoden die NASA sinds de jaren '50 en '60 heeft bewezen, omdat [prioriteit] nummer één voor eerste lanceringsvoertuigen betrouwbaarheid is, zegt Kevin Zagorski, geavanceerde productiemanager van Virgin Orbit.

De andere bedrijven die additive manufacturing een kans geven, lopen uiteen van Jeff Bezos' Blue Origin - waar Ellis de hand had bij de aankoop van de eerste metalen 3D-printer van het bedrijf tijdens een van zijn drie stages daar - tot Launcher, een kleine startup die beweerde de 's werelds grootste 3D-geprinte raketmotor. Zware hitters zoals SpaceX, NASA, Rocket Lab, United Launch Alliance en ArianeGroup zijn ook de 3D-printring betreden.

De redenen die de meeste van deze organisaties geven voor het gebruik van de techniek zijn tweeledig: je kunt iets bouwen met minder onderdelen en ontwerpen sneller aanpassen. Aanvankelijk zag Beck van Rocket Lab dat additive manufacturing een slechte reputatie kreeg omdat het niet effectief werd gebruikt. Iemand zou een subtractief vervaardigd [d.w.z. machinaal bewerkt] onderdeel nemen en proberen het in 3D te printen. Het zou duurder en tijdrovender worden, zegt hij. Maar zoals bij elke nieuwe technologie draait het allemaal om ontwerpen voor het proces. Waar 3D-geprinte onderdelen echt uitblinken, is waar je echt een hoge complexiteit hebt en veel onderdelen samenvoegt tot één.

Relativity van haar kant gaat er prat op dat Terran 1 slechts een honderdste zoveel onderdelen zal hebben als een standaardraket. De motor, Aeon 1, is gemaakt van slechts drie aan elkaar geknutselde onderdelen.

Hoeveel hiervan een PR-stunt is, is echter moeilijk uit te zoeken. Aankondigen dat je de eerste hebt gemaakt wat verleidelijk is, vooral voor kleine startups. Relativiteit beweert bijvoorbeeld de grootste metalen 3D-printer te hebben gebouwd, net als Sciaky en Titomic, twee industriële hardwarebedrijven die niet actief zijn in de ruimtevaart. Iedereen wil proberen zich te onderscheiden en de krantenkoppen te halen, zegt Beck. Als iemand iets wil zeggen over 3D-printen, prima, maar het is wel een beetje grappig.

Ook al is het 3D-printen van een hele raket niet praktisch, ik heb er alle vertrouwen in dat het in ieder geval nuttige spin-offs zal opleveren, zegt Dan Erwin, hoofd ruimtevaarttechniek aan de University of Southern California. Erwin runde het raketlab van USC toen Ellis en Noone daar studeerden, maar heeft sindsdien niet meer met hen samengewerkt. Ik heb de intuïtie dat dit een van die dingen is van 'Als je het bouwt, komen ze', zegt hij. Ongeacht of Relativity volgend jaar een raket lanceert, het dwingt een langzaam bewegende industrie om een ​​technologie die gebruik maakt van ruimtevluchten van buitenaf onder de loep te nemen en misschien vooruit te gaan. Het eindresultaat is misschien niet meer dan een nieuw soort printer. Of het kan de Mars-gebonden raket zijn die ons allemaal is beloofd. Het leven is te kort om gewoon te wachten tot de toekomst sneller gaat, zegt Ellis. We zouden het moeten creëren.

zich verstoppen