NASA fördert innovative Schweißtechniken für den Weltraum

CHICAGO / LONDON (IT BOLTWISE) – Die Erforschung und Entwicklung von Technologien zur Herstellung und Montage im Weltraum ist entscheidend für die langfristigen Ziele der NASA, den Mond und Mars zu erkunden. In diesem Kontext hat die NASA fast 750.000 US-Dollar an Azadeh Haghighi, Assistenzprofessorin für Maschinenbau und industrielle Technik, vergeben. Ihr Projekt, “Weld-ASSIST: Weldability Assessment for In-Space Conditions using a Digital Twin”, zielt darauf ab, die Schweißbarkeit unter Weltraumbedingungen zu untersuchen.

Die langfristigen Erkundungsziele der NASA, insbesondere Missionen zum Mond und Mars, erfordern zuverlässige Herstellungs- und Montageprozesse im Weltraum. Um diese Reisen zu ermöglichen, hat die NASA Azadeh Haghighi, Assistenzprofessorin für Maschinenbau und industrielle Technik, fast 750.000 US-Dollar für ihr Projekt “Weld-ASSIST: Weldability Assessment for In-Space Conditions using a Digital Twin” zugesprochen. Sie wird ein Team von Forschern leiten, das auch Wissenschaftler der Pennsylvania State University und der Iowa State University umfasst.

Diese Förderung unterstreicht die Wettbewerbsfähigkeit von Haghighis Arbeit. Sie ist eine von nur zwei Personen, die in diesem Jahr im Rahmen der Kategorie Computational Materials Engineering for Lunar Metals Welding des Early Stage Innovations-Programms der NASA gefördert werden. Dieses Programm zielt darauf ab, die Entwicklung bahnbrechender, risikoreicher und potenziell gewinnbringender Raumfahrttechnologien zu beschleunigen, um die zukünftigen Bedürfnisse der NASA, anderer Regierungsbehörden und des kommerziellen Raumfahrtsektors zu unterstützen.

Die Förderung erweitert die Forschung zur Herstellung im Weltraum an der UIC, die bereits durch einen 4,6 Millionen US-Dollar schweren Zuschuss an die außerordentliche Professorin Yayue Pan zur Eröffnung des Center for In-Space Manufacturing: Recycling and Regolith Processing an der UIC unterstützt wird.

Während Haghighis Kollegen die additive Fertigung mit Regolith, einer Schicht loser Ablagerungen, die festes Gestein bedeckt, erforschen, untersucht Haghighi Hochenergie-Laserverarbeitungs- und Fertigungstechnologien wie das Schweißen im Weltraum, das den Bau größerer und stärkerer Strukturen ermöglichen wird.

“Die Physik des Schweißens ist auf der Erde sehr gut verstanden, aber nicht im Weltraum”, sagte Haghighi, Direktorin des Smarture Lab an der UIC. “Unser Ziel ist es, diese Wissenslücke zu schließen, damit wir die nächste Generation von Weltraumhabitaten und -infrastrukturen zuverlässig bauen können.”

Beim Schweißen im Weltraum stellen extreme Bedingungen eine Herausforderung dar. Es gibt sehr niedrige Temperaturen und schnelle Temperaturgradienten, wie den Unterschied zwischen Tag und Nacht oder Schatten und Sonnenlicht. Der Druck unterscheidet sich völlig von dem auf der Erde und schafft eine Niederdruck- oder nahezu Vakuumumgebung, die die Physik beeinflussen kann, die das Schweißen bestimmt. Mikrogravitation, die Astronauten als Schwerelosigkeit erleben, ist eine weitere Herausforderung.

“Wir wissen bereits, dass die thermische Geschichte einer Schweißnaht und das Verhalten des Schmelzbades für die Qualität der Schweißnaht entscheidend sind, und wir wollen all diese multiskaligen, multiphysikalischen Phänomene verstehen, die während des Schweißens unter Weltraumbedingungen auftreten”, sagte sie. “Die einzigartigen Herausforderungen und extremen Bedingungen des Weltraums erfordern fortschrittliche Schweißtechniken und rechnergestützte Werkzeuge, um Zuverlässigkeit, Wiederholbarkeit, Sicherheit und strukturelle Integrität in Einzelschweißszenarien zu gewährleisten.”

Ein Einzelschweiß bedeutet, es einmal und perfekt beim ersten Mal zu machen, was den Bedarf an Nacharbeit minimiert und die Missionskosten erheblich reduziert.

Ein weiterer Teil der Forschung ist ein Werkzeugkasten, den Haghighi und ihr Team für die NASA mit diesem neu gewonnenen Wissen erstellen. Die Forscher werden numerische Modelle mit maschinellem Lernen koppeln, um prädiktive, physik-informierte maschinelle Lernmodelle zu erstellen. Die Modelle werden durch erdbasierte Experimente, Parabelflugtests und öffentlich zugängliche Daten aus Datenbanken und Agenturen weltweit validiert.

“Das ICME-basierte (integrated computational materials engineering) Modell und das begleitende Toolkit, das wir entwickeln wollen, werden die ersten ihrer Art für Weltraumbedingungen sein”, sagte Haghighi. “Die NASA kann sie später in ihren Missionen einsetzen. Zum Beispiel können sie die Umgebungsbedingungen im Weltraum, Materialdaten und Laser-/Schweißparameter eingeben, und unsere Algorithmen können ihnen sagen, dass sie mit dieser Wahrscheinlichkeit hochwertige Schweißnähte erhalten werden – oder ob sie unter diesen Weltraumbedingungen überhaupt schweißen können oder nicht.”

Sie fügte hinzu, dass das ultimative Ziel darin besteht, der NASA korrigierende Prozessrichtlinien bereitzustellen, wie z.B. die Anpassung der Laserleistung oder -geschwindigkeit zur Verbesserung der Schweißqualität unter Weltraumbedingungen.

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