Stampa 3D e spazio: la prima camera di combustione stampata in 3D
Prodotta la prima camera di combustione stampata interamente in 3D ad opera di ArianeGroup. Andiamo a scoprire in cosa consiste la stampa 3D, cos’è una camera di combustione, cosa comportano queste innovazioni e perché sono così importanti.
Cos’è ArianeGroup? ArianeGroup che, in precedenza, aveva il nome di Airbus Safran Launchers, è un progetto delle compagnie Airbus e Safran che si concentra sui sistemi di propulsione orbitale ed equipaggiamento e ha come obiettivo principale quello di sviluppare e produrre l’Ariane 6, vettore che sarà il più recente della famiglia di lanciatori Ariane.
Il Centro di Propulsione Orbitale dell’ArianeGroup a Lampoldshausen fornisce propulsori e componenti vari all’ESA e alla NASA.
Cos’è la stampa 3D? La stampa 3D è il procedimento mediante il quale possiamo ottenere oggetti tridimensionali partendo da modelli digitali. Per fare ciò si utilizza la produzione a strati, processo impiegato per fabbricare oggetti partendo da modelli 3D computerizzati aggiungendo vari strati uno dopo l’altro.
Il funzionamento di queste stampanti prevede che l’estrusore, ovvero una macchina al centro della stampante, venga spostato da un sistema di motori; a sua volta, l’estrusore preleva un filo del materiale con cui state stampando (generalmente plastica ABS e PLA) e lo fonde, finché non fuoriesce da dei piccoli fori e, strato dopo strato, va a prendere forma l’oggetto desiderato. Al centro della macchina è presente anche una scheda con un microcontrollore che trasmette le informazioni relative all’oggetto da realizzare.
Cos’è una camera di combustione? La camera di combustione è un reattore, ovvero un contenitore progettato perché al suo interno avvenga una reazione chimica, nel quale avviene la combustione di sostanze chimiche combustibili con altre sostanze comburenti. È un elemento fondamentale per la propulsione di un razzo, specialmente per quanto riguarda la prima fase del fenomeno propulsivo; infatti, nella camera di combustione l’energia chimica del combustibile viene trasformata in energia termica del fluido attraverso notevoli scambi energetici.
La camera di combustione può essere di svariati tipi, tra i quali i quattro principali sono: anulare, tuboanulare, tubolare e contrapposte. Quella anulare è un cilindro posto attorno l’asse del motore, quella tuboanulare è composta da una serie di camere cilindriche attorno l’asse del motore, quella tubolare è costituita da una camera cilindrica posta perpendicolarmente all’asse di rotazione mentre le camere di combustione composte sono due camere a flusso contrapposto indirizzato sulla turbina.
La notizia. ArianeGroup ha testato con successo la prima camera di combustione stampata interamente in 3D. Per fare ciò, sono stati effettuati 14 test nel corso di circa una settimana; questi test si sono conclusi il 2 giugno al centro di prova Lampoldshausen, in Germania. Lo scopo principale è quello di sviluppare questa nuova tecnologia per creare futuri lanciatori a propellente liquido ad un costo molto ridotto.
I test per lo sviluppo e la creazione di una camera di combustione stampata in 3D sono infatti avvenuti all’interno del 
programma Expander-Cycle Technology Integrated Demonstrator dell’ESA; si tratta di uno dei progetti portati avanti al momento dall’agenzia spaziale europea che sviluppa tecnologie da applicare nei futuri lanciatori europei che possano ridurre tempi di produzione, rischi e costi dei programmi.
Tra le numerose innovazioni che questa camera di combustione presenta ci sono i canali di raffreddamento in lega di rame molto economici e l’integrazione di una Auxiliary Power Unit sul razzo, che permette di estendere di molto il range di missioni dei lanciatori; presenta inoltre una testa di iniezione monopezzo, anch’essa prodotta con stampa 3D e fusione laser. In futuro, lo scopo di ArianeGroup è quello di utilizzare le stampanti 3D per produrre qualsiasi motore a propellente liquido, perciò sia i motori per lo stadio superiore sia per quelli del primo stadio.
A tal proposito, la strategia futura dell’agenzia spaziale europea, in collaborazione con ArianeGroup, si basa sui Prometheus.
Cos’è Prometheus? Prometheus è il nome dei futuri motori dell’Ariane 6, razzo dell’ArianeGroup il cui primo test in volo è previsto per il 2021. Si tratta di un progetto dell’ESA che ha avuto inizio nel 2017 e che mira a progettare e realizzare un motore a propellenti liquidi alimentato con metano e ossigeno che sia riutilizzabile fino a cinque volte. Anch’esso sarà costruito per la maggior parte utilizzando stampanti 3D, il che lo renderà incredibilmente economico; il costo di produzione di motori Prometheus sarà circa il 10% di quello dei Vulcain 2, i motori dell’Ariane 5.
Grazie alle sue caratteristiche, Prometheus sembra essere un ottimo candidato per l’utilizzo di un futuro vettore riutilizzabile interamente europeo. In confronto alle altre agenzie spaziali, infatti, l’ESA è molto indietro sulle tecnologie che permettono di “riciclare” i razzi o, almeno, alcune parti di esso.
Questo è uno dei motivi per i quali l’ESA ha ricevuto un finanziamento di 14.4 miliardi di euro nell’ultima riunione dei ministri dei 22 paesi membri, che riceverà nel corso di tre anni.
Oltre al progetto Prometheus e al passaggio graduale alla nuova generazione di lanciatori, che comprende anche l’Ariane 6, grazie ai finanziamenti nascerà l’osservatore di onde gravitazionali LISA, insieme al telescopio spaziale Athena; è stata anche confermata la volontà di riportare nello spazio gli astronauti europei selezionati nel 2009, tra cui Samantha Cristoforetti, e la collaborazione con la NASA per il ritorno sulla Luna.
Viene anche dato il via libera per le nuove reti di satelliti, per le tecnologie 5G e per il programma NAVISP, che permette l’accesso ai dati satellitari da parte di aziende europee.
Per la prima dimostrazione del motore Prometheus dobbiamo aspettare relativamente poco; verrà assemblato quest’anno, perciò i primi test sono previsti per il 2021. ArianeGroup, nel mentre, sta lavorando anche ad un vettore riutilizzabile; si chiama Themis e sarà il primo vettore riutilizzabile con un motore Prometheus. L’agenzia spaziale europea prevede che questo motore possa comparire in tutte le versioni dei vettori Ariane fino al 2030.
La creazione di una intera camera di combustione utilizzando la stampa 3D è un enorme passo in avanti; sebbene ArianeGroup avesse già utilizzato questo metodo per produrre svariati pezzi dei suoi motori, questo nuovo obiettivo, unito alle nuove tecniche produttive e al progetto Prometheus potrà finalmente decretare l’entrata in competizione dei lanciatori europei nel mercato nazionale.