In 3D – lời giải cho sản xuất trong không gian

(Tổng hợp từ Additive Manufacturing Media, Factories in Space, Airbus, Wikipedia)

Sản xuất trong không gian (in-space manufacturing) không còn là chuyện khoa học giả tưởng, mà đã trở nên thực tiễn hơn bao giờ hết. Những thành tựu trong lĩnh vực này không khỏi khiến chúng ta giật mình khi mà các ngành sản xuất khá đa dạng đã xuất hiện trên không gian, từ việc sản xuất dược phẩm, thực phẩm, canh tác, cho đến tái chế vật liệu, xây dựng, và lắp ráp trong không gian.

Thống kê của Factories in Space (www.factoriesinspace.com) cho thấy tính đến cuối tháng 7-2024 đã có tới 185 công ty đã và đang tiến hành hoạt động sản xuất trong không gian, một số mới ở giai đoạn ý tưởng, một số đã thực hiện mang tính chất trình diễn, và số còn lại, ước tính đến 50%, đã đi vào sản xuất.

In 3D trong không gian – lĩnh vực nhiều tiềm năng

Trong số các hoạt động sản xuất khá đa dạng trên không gian, lĩnh vực sản xuất đắp lớp (additive manufacturing), thường được biết đến dưới tên gọi in 3D, được xem là lĩnh vực nhiều tiềm năng nhất và có nhiều tiến bộ nhất.

Mới đây nhất, máy in 3D kim loại đầu tiên cho không gian, do Airbus phát triển cho Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA), đã được lắp ráp thành công vào tháng 1-2024 trên mô-đun Columbus của Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS). Đây có thể là một bước đột phá lớn cho việc sản xuất trong không gian và các sứ mệnh tương lai đến Mặt trăng hoặc Sao Hỏa.

Đã có một số máy in 3D để sản xuất sản phẩm nhựa trên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) từ năm 2014. Các phi hành gia đã sử dụng chúng để thay thế hoặc sửa chữa các bộ phận nhựa, vì chờ chuyến bay mang chúng lên không gian tốn khá nhiều thời gian và nhiều bất tiện. Nhưng không phải mọi thứ đều có thể làm từ nhựa…

Theo Airbus, hạn chế về hậu cần này sẽ càng trở nên nghiêm trọng hơn ở các trạm Mặt trăng và Sao Hỏa trong vài thập kỷ tới. Dù nguyên liệu thô vẫn cần được phóng lên, việc in 3D các bộ phận vẫn hiệu quả hơn nhiều so với việc vận chuyển thành phẩm lên không gian.

Đánh giá về tiềm năng phát triển của lĩnh vực in 3D trong không gian, hiện còn có nhiều ý kiến khác nhau về những thách thức mà lĩnh vực này phải đối mặt trong giai đoạn tới, nhất là khó khăn trong việc thiết lập các cơ sở quy mô trong không gian cho hoạt động sản xuất đắp lớp.

Các cơ hội và ứng dụng in 3D trong không gian

Các chuyên gia từ các học viện và ngành công nghiệp chuyên về in 3D đã tập hợp lại trong một hội thảo chuyên sâu về đề tài này mang tên Excellence in Space, do Additive Industries tổ chức tại Filton, Vương quốc Anh. Các diễn giả đã nhấn mạnh những bước phát triển công nghệ và phương pháp sản xuất mới được kỳ vọng để hiện thực hóa các tiềm năng mà ngành không gian mang lại.

Sau đây là các cơ hội mà công nghệ in đắp lớp mang lại, một số đang nằm trong ý tưởng và một số đã và đang được thực hiện:

Sản xuất phụ tùng thay thế: Để duy trì hoạt động của Trạm Vũ trụ Quốc tế, cần phải đảm bảo có sẵn các phụ tùng thay thế. Tại bất kỳ thời điểm nào cũng có hàng nghìn phụ tùng được lưu trữ trên ISS và trên trái đất, nhưng chỉ có một phần nhỏ được sử dụng. Khả năng sử dụng công nghệ in 3D để sản xuất phụ tùng trong không gian sẽ giúp giảm bớt các thách thức về chuỗi cung ứng và tồn kho do phụ tùng thay thế gây ra; và việc in các bộ phận này tại chỗ giúp giảm lãng phí và gánh nặng hậu cần.

Made in Space đã thành công trong việc chứng minh khả năng in 3D polymer trong không gian với máy in Zero-G, một máy in đùn 3D được sử dụng trên ISS từ năm 2014. Các dự án gần đây tập trung vào in 3D các vật liệu khác như gốm sứ và kim loại. Khả năng in 3D các công cụ, bộ phận thay thế và nhiều thứ khác trong không gian sẽ là chìa khóa để thực hiện các sứ mệnh không gian dài hơn và có thể mở rộng khám phá xa hơn.

Chiếc cờ lê này đã được in 3D trên Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) vào năm 2014, từ một tệp thiết kế gửi từ Trái đất. Các công cụ và bộ phận thay thế khác có thể được sản xuất trong không gian trong tương lai. Ảnh: NASA

Tạo ra các hệ thống sử dụng trong không gian: Các mạng lưới vệ tinh, phương tiện trên quỹ đạo, xe tự hành và nhiều thứ khác có thể hưởng lợi từ các thiết kế do công nghệ in đắp lớp mang lại, và số lượng của các hệ thống này sẽ tiếp tục tăng. Dự kiến sẽ có ba hoặc bốn trạm vũ trụ thương mại tham gia cùng Trạm Vũ trụ Quốc tế (ISS) trên quỹ đạo trong vòng một thập kỷ tới, hỗ trợ cho lĩnh vực in 3D trong không gian.

Các bộ phận in 3D đã được sử dụng trong các hệ thống trong không gian như xe tự hành Perseverance trên sao Hỏa và các vệ tinh khác nhau. Hội thảo này cũng đề cập đến những nỗ lực của Sáng kiến Năng lượng Không gian Vương quốc Anh trong việc bắt đầu xây dựng một nhà máy năng lượng mặt trời trên quỹ đạo, truyền năng lượng về trái đất dưới dạng sóng vi ba. (*)

Sản xuất sản phẩm cho Trái đất: Có nhiều lý do thuyết phục để sử dụng in 3D trên quỹ đạo nhằm chế tạo các sản phẩm mà ngày nay khó hoặc không thể sản xuất trên Trái đất. Ví dụ như những thách thức trong việc sản xuất cáp quang cho cáp ngầm dưới đại dương. Mặc dù hiện nay các sợi cáp này đang được sản xuất trên Trái đất, nhưng chúng bị giới hạn về chiều dài, và tốc độ làm mát trong quá trình sản xuất tạo ra bọt khí ảnh hưởng đến chất lượng truyền tín hiệu của cáp quang. Khi được sản xuất trong môi trường vi trọng lực, các sợi quang gần như trong suốt và có thể được sản xuất dài hơn. Các ngành công nghiệp khác như bán dẫn và dược phẩm cũng có thể hưởng lợi từ việc sản xuất trong vi trọng lực.

Xây dựng nơi ở và cơ sở hạ tầng: Sứ mệnh Artemis của NASA sẽ dần dần dẫn đến việc thiết lập một căn cứ trên bề mặt Mặt trăng, bao gồm cơ sở hạ tầng như bệ phóng và “đường đi” bên ngoài nơi ở, hoặc thậm chí nhà kính và nhà máy điện. In 3D sẽ là một phần của quá trình xây dựng đó. Vì việc vận chuyển vật liệu xây dựng lên không gian rất tốn kém, dự án Công nghệ Xây dựng Tự động Hành tinh từ Mặt trăng đến Sao Hỏa (MMPACT) đang nghiên cứu việc in 3D các cấu trúc này bằng cách sử dụng đất đá trên Mặt trăng làm vật liệu xây dựng, kết hợp với các chất kết dính từ Trái đất. Một hệ thống in 3D tự động bằng vật liệu này sẽ cho phép xây dựng tự động trên bề mặt Mặt trăng.

Trang bị nơi ở: Dự án MMPACT cũng đang nghiên cứu trang bị cho nơi ở trên Mặt trăng, gồm nhà kính, phòng thí nghiệm, các cấu trúc khác cũng như những vật dụng bổ sung như đồ nội thất, công cụ, cảm biến và thiết bị phòng thí nghiệm. Thay vì vận chuyển những vật dụng như ghế, cảm biến oxy và bàn làm việc từ Trái đất, in 3D có thể được áp dụng để sản xuất các vật dụng này tại chỗ — có thể thậm chí sử dụng vật liệu tái chế từ các phương tiện phóng đã ngừng sử dụng.