Mentre la NASA progetta il ritorno dell’uomo sulla Luna e in seguito l’esplorazione di Marte, una collaborazione sulla saldatura a raggio laser tra il Marshall Space Flight Center della NASA a Huntsville, in Alabama, e la Ohio State University a Columbus mira a stimolare la produzione nello spazio. Lo sforzo pluriennale mira a comprendere i processi fisici della saldatura sulla superficie lunare, come l’indagine sugli effetti della saldatura a raggio laser in un ambiente combinato di vuoto e gravità ridotta. L’obiettivo è aumentare le capacità di produzione nello spazio per assemblare potenzialmente grandi strutture o effettuare riparazioni sulla Luna, il che informerà il prossimo grande passo dell’umanità nell’inviare astronauti su Marte e oltre:
“Per molto tempo abbiamo utilizzato elementi di fissaggio, rivetti o altri mezzi meccanici per tenere insieme le strutture che assembliamo nello spazio“, ha affermato Andrew O’Connor, uno scienziato dei materiali Marshall che sta aiutando a coordinare lo sforzo collaborativo ed è il responsabile tecnico della NASA per il progetto. “Ma stiamo iniziando a renderci conto che se vogliamo davvero giunti forti e se vogliamo che le strutture restino insieme quando vengono assemblate sulla superficie lunare, potremmo aver bisogno di saldature nello spazio“. La capacità di saldare strutture nello spazio eliminerebbe anche la necessità di trasportare rivetti e altri materiali, riducendo i carichi utili per i viaggi spaziali. Ciò significa imparare come si comporteranno le saldature nello spazio. Per trasformare questo sforzo in realtà, i ricercatori stanno raccogliendo dati sulla saldatura in condizioni spaziali simulate, come la temperatura e il trasferimento di calore nel vuoto; le dimensioni e la forma dell’area fusa sotto un raggio laser; l’aspetto della sezione trasversale della saldatura dopo la solidificazione; e come cambiano le proprietà meccaniche delle saldature eseguite in condizioni ambientali che imitano la superficie lunare.
“Una volta lasciata la Terra, diventa più difficile testare le prestazioni della saldatura, quindi stiamo sfruttando sia gli esperimenti sia la modellazione al computer per prevedere la saldatura nello spazio mentre siamo ancora a terra”, ha affermato O’Connor. Nell’agosto 2024, un team congiunto di Welding Engineering and Multidisciplinary Capstone Programs dell’Ohio State e del Marshall’s Materials & Processes Laboratory ha eseguito una saldatura laser a fibra ad alta potenza a bordo di un aereo commerciale che simulava una gravità ridotta. L’aereo ha eseguito manovre di volo parabolico che sono iniziate in volo livellato, si è alzato per aggiungere 8.000 piedi di altitudine e si è spinto in cima a un arco parabolico, con conseguenti circa 20 secondi di gravità ridotta per i passeggeri e gli esperimenti. Mentre fluttuavano in questo ambiente senza peso, i membri del team hanno eseguito esperimenti di saldatura laser in un ambiente simulato simile a quello dell’orbita terrestre bassa e della gravità lunare. L’analisi dei dati raccolti da una rete di sensori durante i test aiuterà i ricercatori a comprendere gli effetti degli ambienti spaziali sul processo di saldatura e sul materiale saldato.
“Durante i voli abbiamo completato con successo 69 saldature su 70 in condizioni di microgravità e gravità lunare, realizzando una campagna di volo di pieno successo“, ha affermato Will McAuley, uno studente di ingegneria della saldatura presso l’Ohio State. Finanziato in parte da Marshall e durato più di due anni, il lavoro coinvolge studenti universitari e laureati e professori dell’Ohio State, e ingegneri di diversi centri NASA. Il personale Marshall si è formato insieme al team universitario, imparando a utilizzare l’hardware di volo e condividendo preziose lezioni da precedenti esperimenti di volo parabolico. Il Langley Research Center della NASA a Hampton, Virginia, ha sviluppato una camera a vuoto portatile per supportare gli sforzi di test.
L’ultima volta che la NASA ha eseguito saldature nello spazio è stato durante la missione Skylab nel 1973. Da allora sono stati eseguiti altri test parabolici, utilizzando laser a bassa potenza. Saranno necessari metodi pratici di saldatura e giunzione e processi correlati, tra cui la produzione additiva, per sviluppare l’economia nello spazio. Questi processi riutilizzeranno e ripareranno infrastrutture spaziali critiche e potrebbero costruire strutture troppo grandi per adattarsi agli attuali volumi di carico utile di lancio. La saldatura nello spazio potrebbe accelerare la costruzione di grandi habitat in orbita terrestre bassa, strutture di veicoli spaziali che mantengano gli astronauti al sicuro nelle future missioni e altro ancora. Il lavoro è anche rilevante per comprendere come avviene la saldatura a raggio laser sulla Terra. Le industrie potrebbero usare i dati per informare i processi di saldatura, che sono essenziali per una serie di prodotti manifatturieri, dalle automobili ai frigoriferi ai grattacieli. “Siamo davvero entusiasti della saldatura a raggio laser perché ci offre la flessibilità di operare in ambienti diversi“, ha affermato O’Connor.
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