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Raumfahrt 3D-Druck im All – Erkenntnisse einer Weltraumsimulation

| Autor / Redakteur: Sabrina Kerber / Stefan Guggenberger

Mit 3D-Druck könnte die Besiedelung von Mond und Mars Wirklichkeit werden: Teile der Habitate und Ersatzteile werden mit AM schnell entwickelt und hergestellt. Bei uns schildert Analog-Astronautin Sabrina Kerber ihre Erfahrungen während einer Weltraumsimulation.

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In völliger Isolation vom Rest der Erde haben Sabrina Kerber und das Team EMMIHS-II-Mission das Leben auf dem Mond simuliert. Dabei hat der 3D-Druck eine besondere Rolle gespielt.
In völliger Isolation vom Rest der Erde haben Sabrina Kerber und das Team EMMIHS-II-Mission das Leben auf dem Mond simuliert. Dabei hat der 3D-Druck eine besondere Rolle gespielt.
(Bild: Sabrina Kerber)

Die Österreicherin Sabrina Kerber ist Raumfahrtarchitektin und Analog-Astronautin. Analog-Astronauten sind speziell ausgebildete Tester, sie werden nach einem umfassenden Auswahlverfahren selektiert. Eingesetzt werden sie bei technischen Tests und Weltall-Simulationen, ohne dabei die Erde zu verlassen. Im Artikel schildert Kerber ihre Erfahrungen, die sie auf einer simulierten Mondmission auf Hawaii gesammelt hat. Dabei spielt 3D-Druck für die Mission und die Astronauten eine besondere Rolle. Viel Spaß auf dem (simulierten) Mond.

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Auf Hawaii zum Mond

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 dem namhaften 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.

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.

Wieso additive Fertigung ideal für Missionen im Weltall ist

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.

Ein Stück Heimat aus dem 3D-Drucker

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.

Viele Disziplinen, von der Psychologie über industrielles und visuelles Design bis hin zu Maschinenbau und Biomechanik, forschen zu menschlichen Faktoren. Mit einem 3D-Drucker lassen sich hier auf mehreren Ebenen Verbesserungen erzielen. Die Lebensqualität in einem außerirdischen Habitat gewinnt beispielsweise durch die Möglichkeit der Herstellung von Gegenständen nach den persönlichen Bedürfnissen der Crew. So können Arbeits- und Schlafplätze individuell eingerichtet und bei Langzeitmissionen auch das Design der Inneneinrichtung verändert werden. In beengten Quartieren stärken solche kleinen Adaptionen die Moral und können sogar einem Burnout vorbeugen.

Astronauten dürfen bei einer Mission zur Begrenzung der Nutzlast nur wenige persönliche Gegenstände mitnehmen. Welche dies sind, müssen sie vor dem Start entscheiden. Bei der bemannten Raumfahrt sind solche Gegenstände unverzichtbar, denn sie tragen zum seelischen Wohlbefinden und psychosozialen Gleichgewicht der Crew bei und können deren Leistung verbessern. Besonders bei isolierten Langstreckenmissionen schaffen persönliche Gegenstände eine Verbindung mit der Heimat.

Der Method-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.

Jedes Mitglied druckte einen persönlichen Gegenstand zur Freizeitgestaltung oder Dekoration. Die Schaffung von Komfort und Behaglichkeit ist ein wichtiges Ziel der Raumfahrtarchitektur, denn sie beeinflusst die psychische Gesundheit und den Teamgeist der Crew und somit auch die Stimmung und Produktivität. Die Möglichkeit, Traditionen wie Weihnachtsfeiern im All zu pflegen, lindert Heimweh und Langeweile und schafft ein Gefühl der Verbundenheit mit der Erde. Die gemeinsame Auswahl von Gegenständen stärkte außerdem das Wir-Gefühl der Crew und sorgte für eine willkommene Abwechslung zur wissenschaftlichen Arbeit und täglichen Routine.

3D-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.

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.

Beispielsweise lassen sich durch die Herstellung von Teilen der Innenausstattung vor Ort die Nutzlast und damit die Kosten und Umweltauswirkungen einer Mission deutlich senken. Künftig könnte die Fertigung vor Ort sogar zum integralen Bestandteil des Designs von Lebensräumen werden.

Der Zugang zu einem 3D-Drucker bietet viel mehr Flexibilität und Vielfalt für verschiedene Anwendungen, von der Technik bis hin zu persönlichen Gegenständen.

So sieht es im HI-SEAS-Habitat aus:

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