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27.07.2020

Makerbot: 3D-Druck im All

Erkenntnisse aus einer simulierten Weltraummission

3D-Druck im All funktioniert anders, ist aber sinnvoll. Zu diesem Ergebnis kommt die Raumfahrtarchitektin und Analog-Astronautin Sabrina Kerber, die den 3D-Drucker Makerbot Method bei einer Raumfahrt-Simulation testete.

Auf den Gipfeln Hawaiis werden Mondmissionen simuliert. © Makerbot

Auf den Gipfeln Hawaiis werden Mondmissionen simuliert. © Makerbot

Im Dezember 2019 nahm ich an einer Raumfahrt-Simulation in Hawaii teil. EMMIHS-II ist ein gemeinsames Projekt der von der Europäischen Weltraumorganisation finanzierten EuroMoonMars-Initiative (EMM), der Arbeitsgruppe zur Erkundung des Mondes (ILEWG) und der International MoonBase Alliance (IMA). Die Simulation fand im Hawaii Space Exploration Analog and Simulation-Habitat (HI-SEAS) statt. Zwei Wochen lang lebte, arbeitete und forschte unser internationales Team dort in einer simulierten Mondbasis.

Wir waren völlig von der Erde isoliert, ernährten uns von gefriergetrockneten Lebensmitteln und verließen das Habitat nur für genehmigte Außenbordarbeiten (EVA) in Raumanzügen mit integriertem Lebenserhaltungssystem. Zum Duschen hatte jede Person ganze acht Minuten pro Woche.

Forschen unter extremen Bedingungen

Arbeiten in der "Raumstation" © Makerbot

Arbeiten in der "Raumstation" © Makerbot

Als Ingenieurin war ich für sämtliche anfallenden Reparaturen und die Wartung der technischen Ausrüstung verantwortlich. Außerdem brachte ich meine eigene Forschung mit: ein Gemeinschaftsprojekt mit Makerbot zur Erkundung der Möglichkeiten, wie sich mit 3D-Druckern die Lebensbedingungen in einer Raumstation auf dem Mond verbessern lassen. Ich wollte den 3D-Drucker Makerbot Method testen und herausfinden, wie zuverlässig er bei einer Weltraummission funktionieren würde. Unsere sechsköpfige Besatzung machte diverse Versuche, die von Robotik über medizinische Notfalleingriffe bis hin zu Aspekten der Bewohnbarkeit und Leistung der Astronauten reichten. Die Simulation fand in einer isolierten und beengten Umgebung unter extremen Bedingungen statt, um die lebensfeindlichen Bedingungen auf dem Mond nachzubilden.

Ersatzteile ad hoc drucken statt auf den nächsten Versorgungsflug zu warten

Mit an Bord: der Makerbot-Method © Makerbot

Mit an Bord: der Makerbot-Method © Makerbot

Im Techniklabor des HI-SEAS-Habitats fand der Method-Drucker zwischen Raumanzügen, Lebenserhaltungssystemen und Instrumenten aller Art seinen temporären Platz auf dem Mond.

Er war nach Tests als Werkzeug zur Herstellung fehlender Teile und von Ersatzteilen, darunter Halterungen für Drohnenpropeller und Pinzetten, ausgewählt worden. Der Bedarf an Propellerhalterungen war unerwartet aufgetreten, konnte aber mit dem 3D-Drucker innerhalb weniger Stunden erfüllt werden. Mit einer Extruderkamera konnte das Team im gesamten Habitat den Fortschritt des Druckers überwachen und zugleich an anderen Projekten arbeiten.

Der Erfolg einer Weltraummission steht und fällt mitunter mit der Fähigkeit, Probleme schnell zu lösen und sich an unerwartete Situationen anzupassen. Der Ausfall selbst kleinster Teile kann extreme Konsequenzen haben, da Ersatzteile nur per Versorgungsmission von der Erde aus geliefert werden können. Auf dem Mond würde das mehrere Tage dauern, auf dem Mars bestenfalls mehrere Monate. Mit der Möglichkeit, Ersatzteile ad hoc zu drucken, ist die Abhängigkeit von Versorgungsmissionen wesentlich geringer.

Der 3D-Druck ermöglicht außerdem eine flexiblere Lösungsfindung im All. Bei einer Mission oder einer Simulation tritt nie alles so ein, wie geplant. Wissenschaftliche Experimente können dadurch stark beeinträchtigt oder sogar unmöglich werden. Mit einem 3D-Drucker lassen sich jedoch mit relativ geringem Aufwand an eine veränderte Situation angepasste Instrumente entwerfen und herstellen.

3D-Drucker erfüllt auch kleine persönliche Wünsche der der Astronauten

Die Umgebung ist unwirtlich. 3D-Druck kann helfen, die Stimmung im Team zu verbessern. © Makerbot

Die Umgebung ist unwirtlich. 3D-Druck kann helfen, die Stimmung im Team zu verbessern. © Makerbot

Im zweiten Teil des Experiments ging es um die Verbesserung der menschlichen Faktoren im Habitat. Darunter versteht man die Interaktion zwischen Mensch, Systemen und Maschinen. Bei einer Weltraummission muss es den Menschen möglich sein, in der gegebenen Umgebung sicher zu arbeiten und zwar sowohl unter physischen als auch psychischen Aspekten. Das ist insbesondere bei Langzeitmissionen nicht einfach und bildet daher einen wesentlichen Bestandteil des Missionskonzepts.

Der 3D-Drucker war zwar ursprünglich nicht für persönliche Gegenstände vorgesehen, doch konnte die Crew bei der Simulation damit Gegenstände drucken, die sie zur Mission nicht hätte mitbringen dürfen. So brachte der 3D-Drucker ein wenig Ablenkung von der Extremsituation der Mission und der Trennung von Familie und Freunden. Auch die Freizeitgestaltung im Habitat wurde mit dem Drucker bunter, denn die Crew konnte nach Bedarf Spiele oder andere Gegenstände drucken.

Drucken im All – nicht ganz so einfach

Das HI-SEAS-Habitat liegt auf 2500 Metern. In einer solchen Höhenlage müssen die Druckereinstellungen etwas angepasst werden, damit die Druckerzeugnisse so ausfallen wie auf Normalhöhe. Ich versuchte es zunächst mit PLA, doch die Gegenstände waren verzogen oder der Druck schlug ganz fehl. Dann wurde mir klar, dass daran die Höhenlage schuld war. Ich passte die Einstellungen an und der Drucker produzierte wesentlich zuverlässiger und besser.

Fazit

Für die Raumfahrt ist die additive Fertigung eine wichtige Ergänzung. Sie hat sich bei Tests in der Internationalen Raumstation bewährt und wird bei der Gestaltung zukünftiger außerirdischer Lebensräume eine wichtige Rolle spielen. Der Zugang zu einem 3D-Drucker bietet viel mehr Flexibilität und Vielfalt für verschiedene Anwendungen, von der Technik bis hin zu persönlichen Gegenständen.

Die Astronautin Sabrina Kerber

Sabrina Kerber © Makerbot

Sabrina Kerber © Makerbot

Die Österreicherin Sabrina Kerber ist Raumfahrtarchitektin und Analog-Astronautin. Gegenwärtig absolviert sie einen Masterstudiengang in Architektur mit Spezialgebiet Raumfahrtarchitektur an der TU Wien. Kerber hat wertvolle Erfahrungen im Büro der Vereinten Nationen für Weltraumfragen (UNOOSA) und mit dem EuroMoonMars-Team der Europäischen Weltraumorganisation sowie der Arbeitsgruppe zur Erkundung des Mondes (ILEWG) gesammelt. 2019 nahm sie als Crew-Ingenieurin an der Simulation einer Raumstation auf dem Mond im namhaften HI-SEAS-Habitat teil. Als Gründerin und CEO von Explaneta Space Solutions arbeitet Kerber an der Nutzbarmachung additiver Fertigungstechnologien für außerirdische Lebensräume.

Weiterführende Information
Unternehmensinformation

Stratasys GmbH

Airport Boulevard B 120
DE 77836 Rheinmünster
Tel.: 07229 7772-0
Fax: 07229 7772-990

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