Trenger verden en 3D-printet rakett?

Et bilde av et 3D-trykt rakettstykke Damon Casarez

De en gang så uberørte hvite gulvene var med Relativitetsrom PR-bilder er nå skrapet og belagt med rester av en typisk maskinverksted. Inne i lageret i utkanten av Los Angeles, henger tre robotarmer imponerende ved siden av en beholder fylt med en spole av metalltråd. Beholderens lokk har et tagget hull som om noen slo gjennom det på en dårlig dag; duct tape er slått på for å dekke de skarpe kantene. Dette er en maskin som har blitt presset til sine grenser, i tjeneste for et høyt mål. Ledet av grunnleggerne, Tim Ellis og Jordan Noone, prøver Relativity å lage 95 % av raketten sin, Terran 1, ved hjelp av 3D-utskrift, på bare 60 dager.

Du leste riktig: Planen er å gå fra råstoff til en oppskytingsklar rakett om to måneder. Hvis det høres dristig ut, er det fordi det er det. Enormt. 3D-utskrift har et øyeblikk i romfartsindustrien – alle fra SpaceX til Blue Origin til mindre kjente startups og gamle rakettbutikker fikser med teknologien, og noen har gått så langt som å skrive ut sine egne motorer fra bunnen av. Men selv ingeniører på forkant av 3D-printede raketter vet ikke hva de skal gjøre om Ellis og Noones oppkomlingfirma. Og mer enn én tror de bare er gale.

Denne historien var en del av vår utgave av juli 2019

• Se resten av saken
• Abonnere

Tradisjonelt har ikke romfartsindustrien vært raske med å endre seg, og med god grunn: raketter er kontrollerte eksplosjoner som setter enorme pengesummer og noen ganger menneskeliv på spill. Relativitet har som mål å vinne over skeptikere og holdouts med en testoppskyting i 2020. Saken er at de ikke engang har skrevet ut en hel rakett ennå.

I kjernen består raketter av fire hovedsystemer: nyttelast, veiledning, fremdrift og strukturer. Nyttelasten er uansett hva raketten bærer. Veiledningen består av sensorer som holder fartøyet i mål, og fremdriften består av drivstoffet og motoren som får det til å gå. Strukturene er resten av rammen, kjeglen og finnene til raketten – deler som vanligvis er produsert ved hjelp av ultrapresise CNC-fresemaskiner og håndsveising.

Det er alt en måte å si at bak hver vellykket lansering ligger en enorm mengde arbeidskraft og et stort nettverk av leverandører som jobber sammen for å sette sammen hvert kjøretøy. Ved å effektivisere forsyningskjeden håper Relativity å kutte produksjonstiden kraftig.

Men dette målet med å skrive ut Terran 1s mer enn 30 meter høye eksteriør og drivstofftank kommer med en ekstra utfordring: å lage skrivere som kan utføre oppgaven. Å bygge et rakettselskap er vanskelig, å bygge et 3D-utskriftsselskap er vanskelig, og å bygge begge sammen samtidig er på grensen, sier Ellis, Relativitys administrerende direktør. Men selv om det er den vanskeligste delen av jobben, er det også den hemmelige sausen som vil gjøre Relativity til et verdensforandrende selskap.

Hvis Terran I skal komme til verdensrommet, må dens 11 fot høye drivstofftank fungere som en drøm. Damon Casarez

Det er fortsatt en vei å gå før du endrer verden. Vi kommer ikke til å fly en rakett med mindre vi får utviklet disse metall-3D-utskriftsteknologiene, innrømmer Ellis. Så det gir ganske mye eksistensielt spark i baken for å finne ut av det, fordi dette er den eneste måten vi faktisk kommer til målet vårt.

Barn av Stargate

Relativitys ensomme 20 fot høye skriver, Stargate, har tjent selskapet siden det gikk ut av stealth-modus i 2017, men det er endelig i ferd med å få en pause. I en bygning i nærheten står fire oppdaterte, ferske modeller. Hver av dem er skjermet av lange svarte klaffer som går fra lagertaket til gulvet og forråder det nye med en skarp plastlukt. Den ene har en liten lekebasketballbøyle hengende på den - som om den så langt oftere har tjent som et bakbrett enn en rakettskriver.

Et gigantisk bilde sprutet over veggen skildrer en håpet visjon om selskapets fremtid: et lager fylt med bare Stargates, mindre skrivere og robotarmer. Et ingeniørparadis, og en maskinists mareritt. Det er robotene som tar jobboverskriftene våre i veggmaleri.

De store maskinene ser ut til å smile av flere tiår med rakettmontering. Under Apollo-programmet møtte ingeniører ekstreme problemer med å oppnå perfekte sveiser på Saturn-serien med raketter. Selv erfarne sveisere måtte gis spesialisert opplæring for å fullføre de lange, presise sveisepasseringene som kreves. Nå sveiser en robot hele greia.

Å bygge et rakettselskap er vanskelig, å bygge et 3D-printerselskap er vanskelig, og å bygge begge sammen samtidig er på grensen.

Stargate og dens avkom bruker en variant av det som er kjent som rettet energiavsetning. Tradisjonelle produksjonsmetoder involverer utskjæring av et ferdig produkt fra en blokk med materiale. 3D-utskrift bygger opp et objekt lag for lag i stedet, og muliggjør dannelsen av lette objekter med intrikate interne strukturer som er umulig å lage på noen annen måte. Den mest utbredte formen for 3D-utskrift kalles fused deposition modellering - et materiale, ofte plast, smeltes og presses ut av en dyse i presise mønstre for å bygge et objekt. Kombiner det med sveising og du har rettet energiavsetning.

Det grunnleggende ved sveising innebærer å tilføre en jevn strøm av metalltråd med den ene hånden og varme med den andre. Stargate gjør dette automatisk, og mater ledning ut av en ekstruder på enden av en høy robotarm. Metallet varmes opp ved hjelp av elektrisk plasma (og noen ganger en laser) og legges deretter ned i henhold til en datamaskins instruksjoner. En kombinasjon av elektroniske kontroller, termiske kameraer og sensorer montert i nærheten av der materialet er avsatt, tilpasser utskriften slik den lages. Vår visjon om 3D-utskrift er programvaredefinert automatisering for romfart, sier Ellis. Det går mot den langsiktige visjonen om 3D-utskriftsraketter på Mars. Dette er akkurat verktøyene vi trenger for å bygge ting på andre planeter.

Måten Ellis snakker om selskapet på bringer tankene til Elon Musks jubel om SpaceX og Tesla, bare Ellis sier at han fullfører en del av Mars-puslespillet Musk ennå ikke tar tak i. Tanken er å ha to produkter. Den ene er rakettoppskytningen. Den andre er fabrikken, sier han. Over tid vil fabrikken vi ser være i stand til å krympe ned mindre og mindre og mindre til det til slutt er noe vi faktisk bare kan skyte opp på en stor rakett. Du bygger maskinen som lager maskinen. Og skyt den deretter til Mars. Enkel.

Relativitet tok et lite skritt mot den visjonen forrige måned, og kunngjorde at den hadde signert en ni-årig leiekontrakt med NASA på et 220 000 kvadratmeter stort anlegg i Mississippi som vil bli den første autonome rakettfabrikken.

Selv andre rakettselskaper som aggressivt driver 3D-utskrift (a.k.a. additiv produksjon) er ikke helt overbevist om at det er slik fremtiden ser ut. Rocket Lab, en av bare noen få små satellittoppskytningsramper som flyr kommersielle flyvninger, har vært avhengig av additiv produksjon for å lage motorer, ventiler, manifolder og en rekke andre komplekse komponenter; dets administrerende direktør, Peter Beck, sier: Det er ingen måte vi kan produsere volumet og ytelsen til motorene vi produserer nå uten 3D-utskriftsteknologi. Men en hel rakett? Å gå og skrive ut en flyelektronikkboks eller tank eller noe sånt gir ingen mening, fordi det er mye mer effektive prosesser for å gjøre det, sier Beck. Jeg vil ikke regne på Tims parade. Jeg ønsker ham det absolutt beste, men fra et ingeniørperspektiv gir det absolutt ingen mening for oss.

Til syvende og sist er det kundene som vil trenge bevis på visdommen til relativitetsmetoden. Som de fleste rakettselskaper før deres første lansering, selger Relativity sine kunder på testdata og teamet som er satt sammen. Til syvende og sist er det en tro og et trossprang som vi kommer til å utføre, sier Ellis. Men ja, den er ganske stor. Og definitivt, det er en prosess å komme til det.

Tydeligvis er noen kunder villige til å ta det spranget. Relativity har allerede offentlig annonsert tre klienter med oppskytinger bestilt for 2021 og 2022: det kanadiske kommunikasjonsselskapet Telesat, Washington-baserte Spaceflight (som hjelper til med å koordinere satellittkjøringsandeler ved større oppskytinger), og Thailands mu Space. Ingen sier at når Relativity viser at den kan lanseres med suksess i 2020, planlegger den å øke antallet flyvninger den lanserer hvert år til 12 til 24.

Slike aggressive tidslinjer er bakt inn i selskapets historie. For tre år siden, kort tid etter at Ellis og Noone forlot hver sin første jobb fra college ved henholdsvis Blue Origin og SpaceX, oppfordret de investor Mark Cuban via e-post for å be om startfinansiering. Meldingen hadde emnelinjen Space is sexy: 3D-printing en hel rakett. Cuban, som driver mesteparten av virksomheten sin via e-post, svarte fem minutter senere og sa at han ønsket å investere 500 000 dollar. To måneder senere gjorde han det. Ifølge Cuban var det ikke bare det tilsetningsfremstillingselementet som fanget oppmerksomheten hans. Ideen var unik. Jeg skulle ønske jeg hadde tenkt på det, sier han. De var kvalifiserte, og de var lokale. (Ellis er fra Texas, der Cuban bor.)

Siden infusjonen har Relativity satt foten på gassen. Det siste året har det vokst fra 14 personer til mer enn 80. Teamet inkluderer nå Tim Buzza, en av de første SpaceX-ansatte og tidligere oppskytningsdirektør for både SpaceX og Virgin Orbit, og David Giger, en 12-årig SpaceX-ansatt som fungerte som senior direktør for ingeniørarbeid for selskapets Dragon-kapsel.

Mennesker er fortsatt i sløyfen med Relativitys Stargate-skrivere – foreløpig uansett. Damon Casarez

Jeg vil ikke regne på Tims parade. Jeg ønsker ham det absolutt beste, men fra et ingeniørperspektiv gir det absolutt ingen mening for oss.

Ellis, frontmannen for å ansette og skaffe kapital, ser ikke ut til å ha problemer med å vinne folk på alle nivåer. Han har en plass i Det hvite hus's National Space Council Users Advisory Group, og kontrakter og kontanter strømmer inn i selskapet. Relativity har avsluttet en finansieringsrunde på 35 millioner dollar i serie B, oppnådd en avtale med NASA for å teste motorene deres ved Stennis Space Center i Mississippi (det samme anlegget som den autonome fabrikken til slutt vil gå til), og fått tillatelse til å lansere på en av de mest konkurransedyktige lanseringssteder i verden: Floridas Cape Canaveral.

Dette siste kuppet, annonsert i januar, står i kø for oppskyting av Terran 1 fra det hellige Launch Complex 16, som en gang var vert for Titan-rakettoppskytinger, Apollo-programmet og Gemini-programmet. Høyprofilerte grep som dette har tvunget Relativitys navn inn i samtaler om selskaper som SpaceX, Blue Origin og United Launch Alliance, tidligere de eneste tre antrekkene med tillatelse til å reise fra Cape Canaveral.

Å skrive ut en rakett betyr å lage testseksjoner, kutte dem i stykker og teste noen flere. Nevnte vi testing? Damon Casarez

Utskriften tar fart

Relativitet er langt fra alene om å håpe at 3D-printing vil drive den inn i romfartens elite. Startups inkludert Virgin Orbit, Firefly og Electron kjemper alle for å bevise at de, som Rocket Lab, har det som trengs for å skyte opp små satellitter til verdensrommet. Selv etablerte selskaper som Aerojet Rocketdyne prøver å bevise at 3D-utskrift er på nivå med – eller enda mer pålitelig enn – tradisjonelle produksjonsteknikker.

Men ingen går for det så hardt og raskt som relativitet. Aerojet bygger motorer for offentlige kontrakter og menneskerangerte raketter som NASAs Space Launch System, som må være ekstra konsistente og pålitelige. Selskapet sier at mer enn 60 % av forskningen og utviklingen for 3D-utskrift ikke har vært noe mer enn å etablere en database over de kjemiske og strukturelle egenskapene til forskjellige materialer. Andre kan liksom hoppe over det, og det er deres rett til å gjøre det som en risikoaksepterende holdning, sier Jeff Haynes, Aerojets seniorleder for avanserte programmer.

Derimot, ved Relativity, hvis vi setter en fullt trykt motor på teststativet, fyrer den av og deretter flyr den, er det suksess for oss, sier Noone. Du kan skrive hundrevis av sider med spesifikasjoner som forteller deg hvordan du kommer dit, og hvordan du produserer det, men vi har våre måter å gjøre det på. Jeg vil ikke bli hengt opp i å lage spesifikasjonen i stedet for å bare prøve noe og demonstrere at det fungerer.

Det å bevege seg raskt og bryte ting mentaliteten ville føre til mange søvnløse netter for de fleste rakettdesignere. Virgin Orbit, en konkurrent til Relativity's, har additivproduserte deler på sin første LauncherOne-rakett, men selskapet er glade for å gå lett på trendy teknologi. LauncherOne-kjøretøymotoren bruker akkurat nå svært pålitelige produksjonsmetoder som NASA har bevist siden 50- og 60-tallet, fordi [prioritet] nummer én for førstelanseringskjøretøyer er pålitelighet, sier Virgin Orbits avanserte produksjonssjef, Kevin Zagorski.

De andre selskapene som gir additiv produksjon en sjanse, kjører spekteret fra Jeff Bezos' Blue Origin – der Ellis hadde en hånd med å kjøpe selskapets første metall 3D-printer under en av hans tre praksisplasser der – til Launcher, en liten oppstart som hevdet å ha laget verdens største 3D-printede rakettmotor. Heavy hitters som SpaceX, NASA, Rocket Lab, United Launch Alliance og ArianeGroup har også gått inn i 3D-utskriftsringen.

Grunnene de fleste av disse organisasjonene gir for å bruke teknikken er todelt: du kan bygge noe med færre deler og justere design raskere. Opprinnelig så Rocket Labs Beck at additiv produksjon fikk et dårlig rykte fordi den ikke ble brukt effektivt. Noen ville ta en subtraktivt produsert [dvs. maskinbearbeidet] komponent og forsøke å 3D-printe den. Det ville blitt dyrere og mer tidkrevende, sier han. Men som all ny teknologi, handler det om å designe for prosessen. Der 3D-printede deler virkelig utmerker seg er der du har veldig høy kompleksitet og du slår sammen mange deler til en.

Relativity skryter på sin side av at Terran 1 vil ha bare en hundredel så mange deler som en standard rakett. Motoren, Aeon 1, er laget av bare tre deler satt sammen.

Hvor mye av dette som er et PR-stunt er imidlertid vanskelig å finne ut av. Å kunngjøre at du har gjort det første som er fristende, spesielt for små startups. Relativity, for eksempel, hevder å ha bygget den største 3D-skriveren av metall – det samme gjør Sciaky og Titomic, to industrielle maskinvareselskaper som ikke er i rombransjen. Alle er ute etter å prøve å ha et poeng av differensiering og prøver å fange noen overskrifter, sier Beck. Hvis noen vil snakke om 3D-printing, er det greit, men det er litt morsomt.

Selv om 3D-printing av en hel rakett ikke er praktisk, er jeg veldig sikker på at det uansett vil resultere i nyttige spin-offs, sier Dan Erwin, leder for astronautisk ingeniørfag ved University of South California. Erwin drev USCs rakettlaboratorium da Ellis og Noone studerte der, men har ikke jobbet med dem siden. Jeg har intuisjonen om at dette er en av de typene «Hvis du bygger det, kommer de», sier han. Uansett om Relativity skyter opp en rakett innen neste år, tvinger den en saktegående industri til å se nærmere på, og kanskje fremme, en teknologi som har bruksområder utenfor romfart. Sluttresultatet er kanskje ikke noe mer enn en ny type skrivere. Eller det kan være den Mars-bundne raketten vi alle har blitt lovet. Livet er for kort til å bare vente på at fremtiden skal skje raskere, sier Ellis. Vi burde lage det.

gjemme seg