Il mondo ha bisogno di un razzo stampato in 3D?

L'immagine di un pezzo di razzo stampato in 3D Damon Casarez

I pavimenti bianchi, un tempo immacolati, erano presenti Spazio di relatività Le foto di PR ora sono scrostate e rivestite con i residui di una tipica officina meccanica. All'interno del suo magazzino alla periferia di Los Angeles, tre bracci robotici pendono imponenti accanto a un container riempito con una bobina di filo metallico. Il coperchio del contenitore ha un foro frastagliato come se qualcuno lo avesse perforato in una brutta giornata; nastro adesivo è stato schiaffeggiato per coprire gli spigoli vivi. Questa è una macchina che è stata spinta al limite, al servizio di un obiettivo elevato. Guidata dai suoi fondatori, Tim Ellis e Jordan Noone, Relativity sta tentando di creare il 95% del suo razzo, Terran 1, utilizzando la stampa 3D, in soli 60 giorni.

Avete letto bene: il piano è passare dalla materia prima a un razzo pronto per il lancio in due mesi. Se suona audace, è perché lo è. Enormemente. La stampa 3D sta vivendo un momento nel settore dei voli spaziali: tutti, da SpaceX a Blue Origin, startup meno conosciute e negozi di missili della vecchia guardia stanno armeggiando con la tecnologia e alcuni sono arrivati ​​​​al punto di stampare i propri motori da zero. Ma anche gli ingegneri all'avanguardia della tecnologia missilistica stampata in 3D non sanno cosa pensare della nuova azienda di Ellis e Noone. E più di uno pensa che siano solo pazzi.

Questa storia faceva parte del nostro numero di luglio 2019

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Tradizionalmente l'industria aerospaziale non è stata rapida a cambiare, e per una buona ragione: i razzi sono esplosioni controllate che mettono in gioco ingenti somme di denaro e, a volte, vite umane. Relativity mira a conquistare scettici e resistenze con un lancio di prova nel 2020. Il fatto è che non hanno ancora stampato un intero razzo.

Al centro, i razzi sono costituiti da quattro sistemi principali: carichi utili, guida, propulsione e strutture. Il carico utile è qualunque cosa stia trasportando il razzo. La guida è costituita da sensori che mantengono l'imbarcazione sul bersaglio e la propulsione è costituita dal carburante e dal motore che la fanno partire. Le strutture sono il resto del telaio, del cono e delle alette del razzo, parti che sono tipicamente fabbricate utilizzando fresatrici CNC ultra precise e saldature manuali.

Questo è tutto un modo per dire che dietro ogni lancio di successo c'è un'enorme quantità di lavoro e una vasta rete di fornitori che lavorano di concerto per assemblare ogni veicolo. Semplificando la catena di approvvigionamento, Relativity spera di ridurre drasticamente i tempi di produzione.

Ma questo obiettivo di stampare l'esterno e il serbatoio del carburante di Terran 1, alti più di 30 metri, comporta un'ulteriore sfida: creare stampanti in grado di svolgere il compito. Costruire un'azienda missilistica è difficile, costruire un'azienda di stampa 3D è difficile e costruire entrambi insieme allo stesso tempo è pazzesco, afferma Ellis, CEO di Relativity. Ma mentre è la parte più difficile del lavoro, è anche la salsa segreta che renderà Relativity un'azienda che cambierà il mondo.

Se Terran I vuole arrivare nello spazio, il suo serbatoio del carburante alto 11 piedi deve funzionare come un sogno. Damon Casarez

C'è ancora molta strada da fare prima di cambiare il mondo, però. Non faremo volare un razzo a meno che non sviluppiamo queste tecnologie di stampa 3D in metallo, ammette Ellis. Quindi questo fornisce un bel po 'di calcio esistenziale nel culo per capirlo, perché questo è l'unico modo per raggiungere effettivamente il nostro obiettivo.

Figli dello Stargate

La solitaria stampante di 20 piedi di Relativity, Stargate, ha servito l'azienda da quando è uscita dalla modalità invisibile nel 2017, ma finalmente sta per prendersi una pausa. In un edificio vicino ci sono quattro modelli aggiornati, appena usciti dagli schemi. Ognuno è protetto da lunghi lembi neri che corrono dal soffitto del magazzino al pavimento e tradiscono la loro novità con un pungente odore di plastica. Uno ha un piccolo canestro da basket giocattolo appeso su di esso, come se, finora, fosse più spesso servito da tabellone che da stampante a razzo.

Un'immagine gigante schizzata sul muro raffigura una visione sperata del futuro dell'azienda: un magazzino pieno di nient'altro che Stargate, stampanti più piccole e bracci robotici. Il paradiso di un ingegnere e l'incubo di un macchinista. Sono i robot che stanno prendendo i titoli dei nostri lavori in forma di murales.

Le macchine enormi sembrano sorridere di decadi di assemblaggio di razzi. Durante il programma Apollo, gli ingegneri hanno dovuto affrontare difficoltà estreme per ottenere saldature perfette sulla serie di razzi Saturn. Anche i saldatori esperti hanno dovuto ricevere una formazione specializzata per completare i passaggi di saldatura lunghi e precisi richiesti. Ora un robot sta saldando il tutto.

Costruire un'azienda missilistica è difficile, costruire un'azienda di stampa 3D è difficile e costruire entrambi insieme allo stesso tempo è pazzesco.

Stargate e la sua progenie usano una variante di ciò che è noto come deposizione di energia diretta. I metodi di produzione tradizionali prevedono l'intaglio di un prodotto finito da un blocco di materiale. La stampa 3D costruisce invece un oggetto strato dopo strato, consentendo la creazione di oggetti leggeri con intricate strutture interne impossibili da realizzare in altro modo. La forma più diffusa di stampa 3D è chiamata modellazione a deposizione fusa: un materiale, spesso plastica, viene fuso e spremuto da un ugello secondo schemi precisi per costruire un oggetto. Combinalo con la saldatura e avrai diretto la deposizione di energia.

Le basi della saldatura implicano la fornitura di un flusso costante di filo metallico con una mano e il calore con l'altra. Stargate lo fa automaticamente, alimentando il filo da un estrusore all'estremità di un alto braccio robotico. Il metallo viene riscaldato utilizzando plasma elettrico (e talvolta un laser) e quindi adagiato secondo le istruzioni di un computer. Una combinazione di controlli elettronici, termocamere e sensori montati vicino al punto in cui viene depositato il materiale adatta la stampa mentre viene creata. La nostra visione della stampa 3D è l'automazione definita dal software per il settore aerospaziale, afferma Ellis. Questo si avvicina alla visione a lungo termine dei razzi con stampa 3D su Marte. Questi sono esattamente gli strumenti di cui avremo bisogno per costruire effettivamente cose su altri pianeti.

Il modo in cui Ellis parla della sua compagnia fa venire in mente le esultanze di Elon Musk su SpaceX e Tesla, solo che Ellis dice che sta completando un pezzo del puzzle di Marte che Musk non sta ancora affrontando. Il pensiero è avere due prodotti. Uno è il veicolo di lancio del razzo. L'altra è la fabbrica, dice. Nel corso del tempo, la fabbrica che vediamo essere in grado di ridursi sempre più piccola fino a diventare qualcosa che possiamo effettivamente lanciare su un grande razzo. Tu costruisci la macchina che fa la macchina. E poi lancialo su Marte. Semplice.

Relativity ha compiuto un piccolo passo verso quella visione il mese scorso, annunciando di aver firmato un contratto di locazione di nove anni con la NASA su una struttura di 220.000 piedi quadrati nel Mississippi che diventerà la sua prima fabbrica di missili autonomi.

Anche le altre compagnie missilistiche che perseguono in modo aggressivo la stampa 3D (aka produzione additiva) non sono del tutto convinte che sia così che sarà il futuro. Rocket Lab, uno dei pochi piccoli lanciatori satellitari che effettuano voli commerciali, si è affidato alla produzione additiva per creare motori, valvole, collettori e una serie di altri componenti complessi; il suo CEO, Peter Beck, afferma: Non è possibile produrre il volume e le prestazioni dei motori che stiamo producendo ora senza la tecnologia di stampa 3D. Ma un intero razzo? Andare a stampare una scatola o un serbatoio dell'avionica o qualcosa del genere non ha alcun senso, perché ci sono processi molto più efficienti per farlo, dice Beck. Non voglio piovere sulla parata di Tim. Gli auguro il meglio in assoluto, ma dal punto di vista ingegneristico non ha assolutamente senso per noi.

Alla fine, i clienti saranno quelli che avranno bisogno di prove della saggezza del metodo della Relatività. Come la maggior parte delle aziende missilistiche prima del loro primo lancio, Relativity vende ai propri clienti i dati dei test e il team che è stato assemblato. In definitiva, è una convinzione e un atto di fede che andremo a eseguire, dice Ellis. Ma sì, è piuttosto grande. E sicuramente, è un processo per arrivarci.

Evidentemente alcuni clienti sono disposti a fare quel salto. Relativity ha già annunciato pubblicamente tre clienti con lanci prenotati per il 2021 e il 2022: la società di comunicazioni canadese Telesat, Spaceflight con sede a Washington (che aiuta a coordinare le condivisioni di corse satellitari su lanci più grandi) e la thailandese mu Space. Nessuno dice che una volta che Relativity mostrerà di poter essere lanciato con successo nel 2020, prevede di aumentare il numero di voli che lancia ogni anno da 12 a 24.

Questo tipo di linee temporali aggressive sono integrate nella tradizione dell'azienda. Tre anni fa, poco dopo che Ellis e Noone avevano lasciato il loro primo lavoro dopo il college rispettivamente alla Blue Origin e alla SpaceX, hanno lanciato un'e-mail all'investitore Mark Cuban per chiedere un finanziamento iniziale. Il messaggio aveva come oggetto Lo spazio è sexy: stampa 3D di un intero razzo. Cuban, che conduce la maggior parte dei suoi affari tramite e-mail, ha risposto cinque minuti dopo dicendo che voleva investire $ 500.000. Due mesi dopo lo fece. Secondo Cuban, non è stato solo l'elemento di produzione additiva ad attirare la sua attenzione. L'idea era unica. Vorrei averci pensato, dice. Erano qualificati ed erano locali. (Ellis viene dal Texas, dove vive Cuban.)

Dopo l'infusione, Relativity ha messo piede sul gas. Nell'ultimo anno è passato da 14 persone a più di 80. Il team ora include Tim Buzza, uno dei primi dipendenti SpaceX ed ex vicepresidente del lancio di SpaceX e Virgin Orbit, e David Giger, un dipendente SpaceX di 12 anni che è stato direttore senior dell'ingegneria per la capsula Dragon dell'azienda.

Gli esseri umani sono ancora in contatto con le stampanti Stargate di Relativity, per ora, comunque. Damon Casarez

Non voglio piovere sulla parata di Tim. Gli auguro il meglio in assoluto, ma dal punto di vista ingegneristico non ha assolutamente senso per noi.

Ellis, il front man per l'assunzione e la raccolta di capitali, non sembra avere problemi a conquistare persone a tutti i livelli. Ha un posto nel National Space Council Users Advisory Group della Casa Bianca e i contratti e il denaro stanno affluendo all'azienda. Relativity ha chiuso un round di finanziamento di serie B da 35 milioni di dollari, ha siglato un accordo con la NASA per testare i suoi motori presso lo Stennis Space Center nel Mississippi (la stessa struttura in cui alla fine andrà la sua fabbrica autonoma) e ha ricevuto il permesso di lanciare in uno dei più siti di lancio competitivi nel mondo: Cape Canaveral in Florida.

Quest'ultimo colpo di stato, annunciato a gennaio, allinea il Terran 1 al lancio dal sacro Launch Complex 16, che un tempo ospitava i lanci di missili Titan, il programma Apollo e il programma Gemini. Mosse di alto profilo come quella hanno costretto il nome di Relativity a conversazioni su aziende come SpaceX, Blue Origin e United Launch Alliance, in precedenza gli unici tre gruppi con i permessi per decollare da Cape Canaveral.

Stampare un razzo significa creare sezioni di prova, tagliarle a pezzi e testarne altre. Abbiamo menzionato i test? Damon Casarez

La stampa decolla

La relatività è tutt'altro che sola nella speranza che la stampa 3D la spingerà nell'élite del volo spaziale. Startup come Virgin Orbit, Firefly ed Electron stanno tutte gareggiando per dimostrare che, come Rocket Lab, hanno le carte in regola per lanciare piccoli satelliti nello spazio. Anche aziende affermate come Aerojet Rocketdyne stanno cercando di dimostrare che la stampa 3D è alla pari o addirittura più affidabile delle tecniche di produzione tradizionali.

Ma nessuno lo fa così duro e veloce come Relativity. Aerojet costruisce motori per contratti governativi e razzi umani come lo Space Launch System della NASA, che devono essere estremamente coerenti e affidabili. La società afferma che oltre il 60% della sua ricerca e sviluppo per la stampa 3D non è stato altro che la creazione di un database delle proprietà chimiche e strutturali di diversi materiali. Altri potrebbero in qualche modo saltarlo, ed è loro diritto farlo come una posizione di accettazione del rischio, afferma Jeff Haynes, senior manager di programmi avanzati di Aerojet.

Al contrario, in Relativity, se mettiamo un motore completamente stampato sul banco di prova, lo accendiamo con successo e poi lo facciamo volare, questo per noi è un successo, dice Nessuno. Potresti scrivere centinaia di pagine di specifiche che ti dicono come arrivarci e come produrlo, ma abbiamo i nostri modi per farlo. Non vorrei essere bloccato sulla creazione delle specifiche piuttosto che provare qualcosa e dimostrare che funziona.

Che si muova velocemente e rompa la mentalità delle cose porterebbe a molte notti insonni per la maggior parte dei progettisti di razzi. Virgin Orbit, un concorrente di Relativity, ha parti prodotte con additivi sul suo primo razzo LauncherOne, ma l'azienda è felice di andare piano con la tecnologia alla moda. Il motore del veicolo LauncherOne in questo momento utilizza metodi di produzione molto affidabili che la NASA ha dimostrato dagli anni '50 e '60, perché [la priorità] numero uno per i veicoli al primo lancio è l'affidabilità, afferma Kevin Zagorski, responsabile della produzione avanzata di Virgin Orbit.

Le altre aziende che danno una possibilità alla produzione additiva vanno dalla Blue Origin di Jeff Bezos, dove Ellis ha contribuito all'acquisto della prima stampante 3D in metallo dell'azienda durante uno dei suoi tre stage, a Launcher, una piccola startup che ha affermato di aver fatto il il più grande motore a razzo stampato in 3D del mondo. Anche i grandi battitori come SpaceX, NASA, Rocket Lab, United Launch Alliance e ArianeGroup sono entrati nel ring della stampa 3D.

I motivi addotti dalla maggior parte di queste organizzazioni per l'utilizzo della tecnica sono due: puoi costruire qualcosa con meno parti e modificare i progetti più rapidamente. Inizialmente, Beck di Rocket Lab ha visto la produzione additiva ottenere una cattiva reputazione perché non veniva utilizzata in modo efficace. Qualcuno prenderebbe un componente prodotto sottrattivamente [cioè lavorato a macchina] e tenterebbe di stamparlo in 3D. Risulterebbe più costoso e richiederebbe più tempo, dice. Ma come ogni nuova tecnologia, si tratta di progettare per il processo. Il punto in cui le parti stampate in 3D eccellono davvero è dove hai una complessità davvero elevata e unisci molte parti in una sola.

Da parte sua, Relativity si vanta che Terran 1 avrà solo un centesimo di parti in più rispetto a un razzo standard. Il suo motore, Aeon 1, è composto da sole tre parti messe insieme.

Quanto di questo sia un'acrobazia PR, tuttavia, è difficile da risolvere. Annunciare che hai fatto il primo qualunque cosa è allettante, specialmente per le piccole startup. Relativity, ad esempio, afferma di aver costruito la più grande stampante 3D in metallo, così come Sciaky e Titomic, due società di hardware industriale che non operano nel settore spaziale. Tutti cercano di avere un punto di differenziazione e cercano di afferrare alcuni titoli, dice Beck. Se qualcuno vuole parlare della stampa 3D di qualcosa, va bene, ma è in qualche modo divertente.

Anche se la stampa 3D di un intero razzo non è pratica, sono davvero fiducioso che in ogni caso si tradurrà in utili spin-off, afferma Dan Erwin, capo dell'ingegneria astronautica presso la University of Southern California. Erwin gestiva il laboratorio missilistico della USC quando Ellis e Noone studiavano lì ma da allora non hanno più lavorato con loro. Ho l'intuizione che questa sia una di quelle cose tipo 'Se lo costruisci, verranno', dice. Indipendentemente dal fatto che Relativity lanci un razzo entro il prossimo anno, sta costringendo un'industria a muoversi lentamente a dare un'occhiata più da vicino, e forse ad avanzare, una tecnologia che utilizza il volo spaziale esterno. Il risultato finale potrebbe non essere altro che una nuova generazione di stampanti. O potrebbe essere il razzo diretto a Marte che ci è stato promesso. La vita è troppo breve per aspettare che il futuro accada più velocemente, dice Ellis. Dovremmo crearlo.

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