Braucht die Welt eine 3D-gedruckte Rakete?

Ein Bild eines 3D-gedruckten Raketenstücks Damon Casarez

Die einst makellos weißen Böden in Relativitätsraum PR-Fotos sind jetzt abgewetzt und mit den Rückständen einer typischen Maschinenwerkstatt überzogen. In seiner Lagerhalle am Stadtrand von Los Angeles hängen drei Roboterarme imposant neben einem Behälter, der mit einer Spule aus Metalldraht gefüllt ist. Der Deckel des Behälters hat ein gezacktes Loch, als hätte jemand an einem schlechten Tag durchgeschlagen; Klebeband wurde aufgeschlagen, um die scharfen Kanten abzudecken. Dies ist eine Maschine, die im Dienste eines hohen Ziels an ihre Grenzen getrieben wurde. Unter der Leitung seiner Gründer Tim Ellis und Jordan Noone versucht Relativity, 95 % seiner Rakete Terran 1 in nur 60 Tagen mithilfe des 3D-Drucks herzustellen.

Sie haben richtig gelesen: In zwei Monaten soll es vom Rohmaterial zur startbereiten Rakete kommen. Wenn es kühn klingt, liegt es daran, dass es so ist. Enorm. Der 3D-Druck erlebt in der Raumfahrtindustrie einen Moment – ​​von SpaceX über Blue Origin bis hin zu weniger bekannten Startups und altmodischen Raketenläden tüfteln alle an der Technologie, und einige sind so weit gegangen, ihre eigenen Triebwerke von Grund auf neu zu drucken. Aber selbst Ingenieure auf dem neuesten Stand der 3D-gedruckten Raketentechnik wissen nicht, was sie von der aufstrebenden Firma von Ellis und Noone halten sollen. Und mehr als einer denkt, dass sie einfach verrückt sind.

Diese Geschichte war Teil unserer Juli-Ausgabe 2019

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Traditionell hat sich die Luft- und Raumfahrtindustrie nicht schnell geändert, und das aus gutem Grund: Raketen sind kontrollierte Explosionen, die riesige Geldsummen und manchmal Menschenleben aufs Spiel setzen. Relativity will mit einem Teststart im Jahr 2020 Skeptiker und Verweigerer überzeugen. Tatsache ist, dass sie noch nicht einmal eine ganze Rakete gedruckt haben.

Raketen bestehen im Kern aus vier Hauptsystemen: Nutzlasten, Führung, Antrieb und Strukturen. Die Nutzlast ist, was auch immer die Rakete trägt. Die Führung besteht aus Sensoren, die das Fahrzeug auf Ziel halten, und der Antrieb besteht aus dem Kraftstoff und dem Motor, die es zum Laufen bringen. Die Strukturen sind der Rest des Rahmens, des Kegels und der Flossen der Rakete – Teile, die normalerweise mit ultrapräzisen CNC-Fräsmaschinen und Handschweißen hergestellt werden.

Das ist alles eine Art zu sagen, dass hinter jeder erfolgreichen Markteinführung ein enormer Arbeitsaufwand und ein riesiges Netzwerk von Zulieferern stehen, die zusammenarbeiten, um jedes Fahrzeug zusammenzubauen. Durch die Rationalisierung der Lieferkette hofft Relativity, die Produktionszeit deutlich zu verkürzen.

Aber dieses Ziel, das mehr als 30 Meter hohe Äußere und den Kraftstofftank von Terran 1 zu drucken, bringt eine zusätzliche Herausforderung mit sich: die Entwicklung von Druckern, die diese Aufgabe erfüllen können. Der Aufbau einer Raketenfirma ist schwierig, der Aufbau einer 3D-Druckfirma ist schwierig, und beides gleichzeitig zu bauen, ist grenzwertig, sagt Ellis, CEO von Relativity. Aber obwohl es der schwierigste Teil der Arbeit ist, ist es auch die geheime Zutat, die Relativity zu einem Unternehmen machen wird, das die Welt verändert.

Wenn Terran I in den Weltraum fliegen soll, muss sein 11 Fuß hoher Treibstofftank wie ein Traum funktionieren. Damon Casarez

Es ist jedoch noch ein weiter Weg zu gehen, bevor es zu einer Weltveränderung kommt. Wir werden keine Rakete fliegen, wenn wir diese Metall-3D-Drucktechnologien nicht entwickeln, gibt Ellis zu. Das ist also ein ziemlicher existenzieller Tritt in den Hintern, um es herauszufinden, denn nur so werden wir es tatsächlich zu unserem Ziel schaffen.

Kinder des Stargates

Der einsame 20 Fuß hohe Drucker von Relativity, Stargate, dient dem Unternehmen, seit er 2017 aus dem Stealth-Modus ausgestiegen ist, aber er steht kurz vor einer Pause. In einem nahe gelegenen Gebäude befinden sich vier aktualisierte, gebrauchsfertige Modelle. Jede einzelne wird von langen schwarzen Klappen abgeschirmt, die von der Lagerhalle bis zum Boden reichen und ihre Neuheit mit einem stechenden Plastikgeruch verraten. An einem hängt ein kleiner Spielzeug-Basketballkorb – als ob er bisher eher als Rückwand denn als Raketendrucker gedient hätte.

Ein riesiges Bild, das über die Wand gespritzt ist, zeigt eine erhoffte Vision der Zukunft des Unternehmens: ein Lagerhaus, das mit nichts als Stargates, kleineren Druckern und Roboterarmen gefüllt ist. Ein Paradies für Ingenieure und ein Alptraum für Maschinisten. Es sind die Roboter, die unsere Jobs in Form von Wandbildern in die Schlagzeilen bringen.

Die gewaltigen Maschinen scheinen über die jahrzehntelange Raketenmontage zu grinsen. Während des Apollo-Programms hatten die Ingenieure extreme Schwierigkeiten, perfekte Schweißnähte an der Saturn-Raketenserie zu erzielen. Selbst erfahrene Schweißer mussten speziell geschult werden, um die erforderlichen langen und präzisen Schweißdurchgänge auszuführen. Jetzt schweißt ein Roboter das Ganze.

Eine Raketenfirma aufzubauen ist schwer, eine 3D-Druckfirma aufzubauen ist schwer, und beides gleichzeitig zu bauen ist grenzwertig.

Stargate und seine Nachkommen verwenden eine Variante der sogenannten gerichteten Energiedeposition. Herkömmliche Herstellungsmethoden beinhalten das Schnitzen eines fertigen Produkts aus einem Materialblock. Der 3D-Druck baut stattdessen ein Objekt Schicht für Schicht auf und ermöglicht so die Herstellung leichter Objekte mit komplizierten inneren Strukturen, die auf andere Weise nicht herzustellen sind. Die am weitesten verbreitete Form des 3D-Drucks wird Fused Deposition Modeling genannt – ein Material, oft Kunststoff, wird geschmolzen und in präzisen Mustern aus einer Düse gepresst, um ein Objekt zu bauen. Kombinieren Sie das mit Schweißen und Sie haben eine gerichtete Energieabgabe.

Die Grundlagen des Schweißens bestehen darin, mit einer Hand einen stetigen Strom Metalldraht und mit der anderen Wärme zuzuführen. Stargate tut dies automatisch, indem es Draht aus einem Extruder am Ende eines hohen Roboterarms herausführt. Das Metall wird mit elektrischem Plasma (und manchmal mit einem Laser) erhitzt und dann gemäß den Anweisungen eines Computers niedergelegt. Eine Kombination aus elektronischen Steuerungen, Wärmebildkameras und Sensoren, die in der Nähe der Materialablage angebracht sind, passt den Druck während seiner Entstehung an. „Unsere Vision des 3D-Drucks ist softwaredefinierte Automatisierung für die Luft- und Raumfahrt“, sagt Ellis. Das nähert sich der langfristigen Vision von 3D-Druckraketen auf dem Mars. Das sind genau die Werkzeuge, die wir brauchen werden, um Dinge auf anderen Planeten zu bauen.

Die Art und Weise, wie Ellis über sein Unternehmen spricht, erinnert an Elon Musks Jubel über SpaceX und Tesla, nur dass Ellis sagt, er vervollständige ein Stück des Mars-Puzzles, das Musk noch nicht anpackt. Der Gedanke ist, zwei Produkte zu haben. Eines ist das Raketenstartfahrzeug. Das andere ist die Fabrik, sagt er. Im Laufe der Zeit wird die Fabrik kleiner und kleiner und kleiner, bis sie schließlich etwas ist, das wir tatsächlich mit einer großen Rakete starten können. Sie bauen die Maschine, die die Maschine macht. Und dann zum Mars starten. Einfach.

Relativity machte letzten Monat einen kleinen Schritt in Richtung dieser Vision und gab bekannt, dass es einen neunjährigen Mietvertrag mit der NASA über eine 220.000 Quadratfuß große Anlage in Mississippi unterzeichnet hat, die seine erste autonome Raketenfabrik werden wird.

Sogar andere Raketenunternehmen, die den 3D-Druck (alias additive Fertigung) aggressiv vorantreiben, sind nicht ganz davon überzeugt, wie die Zukunft aussieht. Rocket Lab, eine der wenigen kleinen Satelliten-Trägerraketen, die kommerzielle Flüge fliegen, hat sich auf die additive Fertigung verlassen, um Motoren, Ventile, Verteiler und eine Reihe anderer komplexer Komponenten herzustellen; Sein CEO, Peter Beck, sagt: Ohne 3D-Drucktechnologie können wir das Volumen und die Leistung der Motoren, die wir jetzt produzieren, nicht produzieren. Aber eine ganze Rakete? Eine Avionikbox oder einen Panzer oder ähnliches drucken zu gehen, macht keinen Sinn, weil es dafür viel effizientere Prozesse gibt, sagt Beck. Ich will nicht auf Tims Parade regnen. Ich wünsche ihm das Allerbeste, aber aus technischer Sicht macht es für uns absolut keinen Sinn.

Am Ende sind es die Kunden, die einen Beweis für die Weisheit der Methode von Relativity benötigen. Wie die meisten Raketenhersteller vor ihrem ersten Start verkauft Relativity seine Kunden mit Testdaten und dem zusammengestellten Team. Letztendlich ist es eine Überzeugung und ein Vertrauensvorschuss, dass wir es hinrichten werden, sagt Ellis. Aber ja, es ist eine ziemlich große. Und definitiv ist es ein Prozess, um dorthin zu gelangen.

Offensichtlich sind einige Kunden bereit, diesen Sprung zu wagen. Relativity hat bereits drei Kunden öffentlich bekannt gegeben, deren Starts für 2021 und 2022 gebucht sind: das kanadische Kommunikationsunternehmen Telesat, Spaceflight mit Sitz in Washington (das bei der Koordinierung von Satellitenfahrten bei größeren Starts hilft) und mu Space aus Thailand. Niemand sagt, dass Relativity, sobald es 2020 erfolgreich starten kann, plant, die Anzahl der Flüge, die es jedes Jahr startet, auf 12 bis 24 zu erhöhen.

Diese Art von aggressiven Zeitlinien sind in die Überlieferungen des Unternehmens eingebrannt. Vor drei Jahren, kurz nachdem Ellis und Noone jeweils ihre ersten Jobs nach dem College bei Blue Origin bzw. SpaceX aufgegeben hatten, wandten sie sich per E-Mail an den Investor Mark Cuban, um um eine Anschubfinanzierung zu bitten. Die Botschaft hatte den Betreff Space is sexy: 3D-Druck einer ganzen Rakete. Cuban, der den Großteil seiner Geschäfte per E-Mail abwickelt, antwortete fünf Minuten später und sagte, er wolle 500.000 Dollar investieren. Zwei Monate später tat er es. Laut Cuban war es nicht nur das Element der additiven Fertigung, das ihm aufgefallen ist. Die Idee war einzigartig. Ich wünschte, ich hätte daran gedacht, sagt er. Sie waren qualifiziert, und sie waren ortsansässig. (Ellis kommt aus Texas, wo Cuban lebt.)

Seit der Infusion gibt Relativity Gas. Im vergangenen Jahr ist es von 14 auf mehr als 80 Mitarbeiter angewachsen. Zum Team gehören jetzt Tim Buzza, einer der ersten SpaceX-Mitarbeiter und ehemaliger VP of Launch für SpaceX und Virgin Orbit, und David Giger, ein 12-jähriger SpaceX-Mitarbeiter, der war Senior Director of Engineering für die Dragon-Kapsel des Unternehmens.

Die Menschen sind mit den Stargate-Druckern von Relativity immer noch auf dem Laufenden – zumindest für den Moment. Damon Casarez

Ich will nicht auf Tims Parade regnen. Ich wünsche ihm das Allerbeste, aber aus technischer Sicht macht es für uns absolut keinen Sinn.

Ellis, der Frontmann für die Einstellung und Kapitalbeschaffung, scheint keine Probleme damit zu haben, Menschen auf allen Ebenen für sich zu gewinnen. Er hat einen Platz in der Benutzerberatungsgruppe des National Space Council des Weißen Hauses, und Verträge und Geld fließen in das Unternehmen. Relativity hat eine 35-Millionen-Dollar-Finanzierungsrunde der Serie B abgeschlossen, einen Vertrag mit der NASA abgeschlossen, um seine Triebwerke im Stennis Space Center in Mississippi zu testen (die gleiche Einrichtung, in die schließlich seine autonome Fabrik gehen wird), und die Erlaubnis erhalten, an einem der meisten zu starten konkurrenzfähige Startplätze der Welt: Cape Canaveral in Florida.

Dieser letzte Coup, der im Januar angekündigt wurde, richtet die Terran 1 aus, um vom heiligen Launch Complex 16 zu starten, der einst Gastgeber für Titan-Raketenstarts, das Apollo-Programm und das Gemini-Programm war. Hochkarätige Schritte wie dieser haben den Namen von Relativity in Gespräche über Unternehmen wie SpaceX, Blue Origin und United Launch Alliance gezwungen, die zuvor die einzigen drei Unternehmen waren, die eine Starterlaubnis von Cape Canaveral hatten.

Eine Rakete zu drucken bedeutet, Testabschnitte zu erstellen, sie in Stücke zu schneiden und noch mehr zu testen. Haben wir Tests erwähnt? Damon Casarez

Drucken geht los

Relativity ist bei weitem nicht allein in der Hoffnung, dass der 3D-Druck es in die Elite der Raumfahrt bringen wird. Startups wie Virgin Orbit, Firefly und Electron wollen beweisen, dass sie wie Rocket Lab das Zeug dazu haben, kleine Satelliten ins All zu bringen. Sogar etablierte Unternehmen wie Aerojet Rocketdyne versuchen zu beweisen, dass der 3D-Druck den traditionellen Fertigungstechniken ebenbürtig oder sogar zuverlässiger ist als diese.

Aber niemand versucht es so hart und schnell wie Relativity. Aerojet baut Triebwerke für Regierungsaufträge und für Menschen geeignete Raketen wie das Space Launch System der NASA, die besonders konsistent und zuverlässig sein müssen. Das Unternehmen sagt, dass mehr als 60 % seiner Forschung und Entwicklung für den 3D-Druck nichts anderes war, als eine Datenbank mit den chemischen und strukturellen Eigenschaften verschiedener Materialien aufzubauen. Andere mögen das überspringen, und das ist ihr gutes Recht, dies als risikoakzeptierende Haltung zu tun, sagt Jeff Haynes, Senior Manager für fortgeschrittene Programme bei Aerojet.

Wenn wir dagegen bei Relativity ein vollständig gedrucktes Triebwerk auf den Prüfstand stellen, es erfolgreich zünden und dann fliegen, ist das für uns ein Erfolg, sagt Noone. Sie könnten Hunderte von Seiten mit Spezifikationen schreiben, die Ihnen sagen, wie Sie dorthin gelangen und wie Sie es herstellen, aber wir haben unsere Methoden, wie wir es tun. Ich möchte mich nicht damit aufhalten, die Spezifikation zu erstellen, anstatt nur etwas auszuprobieren und zu demonstrieren, dass es funktioniert.

Diese Mentalität, sich schnell zu bewegen und Dinge zu brechen, würde für die meisten Raketendesigner zu vielen schlaflosen Nächten führen. Virgin Orbit, ein Konkurrent von Relativity, hat bei seiner ersten LauncherOne-Rakete additiv gefertigte Teile, aber das Unternehmen geht gerne mit trendiger Technologie um. Der LauncherOne-Fahrzeugmotor verwendet derzeit sehr zuverlässige Herstellungsmethoden, die die NASA seit den 50er und 60er Jahren bewiesen hat, denn [Priorität] Nummer eins für Erststartfahrzeuge ist Zuverlässigkeit, sagt Kevin Zagorski, Advanced Manufacturing Manager von Virgin Orbit.

Die anderen Unternehmen, die der additiven Fertigung eine Chance geben, reichen von Jeff Bezos’ Blue Origin – wo Ellis während eines seiner drei Praktika beim Kauf des ersten 3D-Metalldruckers des Unternehmens beteiligt war – bis hin zu Launcher, einem kleinen Startup, das behauptete, das gemacht zu haben das größte 3D-gedruckte Raketentriebwerk der Welt. Schwergewichte wie SpaceX, NASA, Rocket Lab, United Launch Alliance und ArianeGroup sind ebenfalls in den 3D-Druckring eingetreten.

Die meisten dieser Organisationen geben zwei Gründe für die Verwendung dieser Technik an: Sie können etwas mit weniger Teilen bauen und Designs schneller optimieren. Anfangs sah Beck von Rocket Lab, dass die additive Fertigung einen schlechten Ruf bekam, weil sie nicht effektiv eingesetzt wurde. Jemand würde ein subtraktiv hergestelltes [d. h. maschinell bearbeitetes] Bauteil nehmen und versuchen, es in 3D zu drucken. Es würde teurer und zeitaufwändiger werden, sagt er. Aber wie bei jeder neuen Technologie dreht sich alles um das Design für den Prozess. Wo sich 3D-gedruckte Teile wirklich auszeichnen, ist dort, wo Sie eine wirklich hohe Komplexität haben und viele Teile zu einem zusammenführen.

Relativity rühmt sich seinerseits damit, dass Terran 1 nur ein Hundertstel so vieler Teile haben wird wie eine Standardrakete. Sein Motor, Aeon 1, besteht aus nur drei zusammengefügten Teilen.

Wie viel davon ein PR-Stunt ist, ist jedoch schwer zu klären. Zu verkünden, dass Sie den ersten gemacht haben, ist verlockend, besonders für kleine Startups. Relativity zum Beispiel behauptet, den größten Metall-3D-Drucker gebaut zu haben – ebenso wie Sciaky und Titomic, zwei Industriehardwareunternehmen, die nicht im Weltraumgeschäft tätig sind. Jeder versucht, sich abzugrenzen und Schlagzeilen zu machen, sagt Beck. Wenn jemand über 3D-Druck sprechen möchte, dann gut, aber es ist irgendwie amüsant.

Auch wenn der 3D-Druck einer ganzen Rakete nicht praktikabel ist, bin ich wirklich zuversichtlich, dass es auf jeden Fall zu nützlichen Nebenprodukten führen wird, sagt Dan Erwin, Leiter der Abteilung für Astronautik an der University of Southern California. Erwin leitete das Raketenlabor der USC, als Ellis und Noone dort studierten, hat aber seitdem nicht mehr mit ihnen zusammengearbeitet. Ich habe die Intuition, dass dies eines dieser „Wenn du es baust, werden sie kommen“-Dinge ist, sagt er. Unabhängig davon, ob Relativity bis zum nächsten Jahr eine Rakete startet, zwingt es eine sich langsam entwickelnde Industrie, eine Technologie, die außerhalb der Raumfahrt eingesetzt wird, genauer zu betrachten und vielleicht voranzutreiben. Das Endergebnis könnte nichts anderes als eine neue Art von Drucker sein. Oder es könnte die Rakete zum Mars sein, die uns allen versprochen wurde. Das Leben ist zu kurz, um nur darauf zu warten, dass die Zukunft schneller passiert, sagt Ellis. Wir sollten es schaffen.

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