El Rover Perseverance de la NASA lleva piezas de metal impresas en 3D a Marte

Este videoclip muestra una técnica de impresión 3D en la que un cabezal de impresora escanea cada capa de una pieza, soplando polvo metálico que se derrite con un láser. Es una de las varias formas en que las piezas se imprimen en 3D en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA, aunque no se utilizó para crear las piezas a bordo del Rover Perseverance.

Para aficionados y creadores, la impresión 3D amplía las posibilidades creativas; para los ingenieros especializados, también es clave para el diseño de naves espaciales de próxima generación.

Si desea ver la ciencia ficción en funcionamiento, visite un moderno taller de máquinas, donde las impresoras 3D crean materiales en casi cualquier forma que pueda imaginar. La NASA está explorando la técnica, conocida como fabricación aditiva cuando la utilizan ingenieros especializados, para construir motores de cohetes, así como posibles puestos de avanzada en la Luna y Marte. en un futuro más cercano hay un hito diferente: el Rover Perseverance de la NASA, que aterrizará en el Planeta Rojo el 18 de febrero de 2021, lleva 11 piezas metálicas hechas con impresión 3D.

En lugar de forjar, moldear o cortar materiales, la impresión 3D se basa en láseres para derretir el polvo en capas sucesivas para dar forma a algo. Hacerlo permite a los ingenieros jugar con diseños y rasgos únicos, como hacer que el hardware sea más liviano, más fuerte o que responda al calor o al frío.

“Es como trabajar con papel maché”, dijo Andre Pate, líder del grupo de fabricación aditiva en el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en el sur de California. “Construyes cada característica capa por capa, y pronto tienes una pieza detallada”.

Curiosity, el predecesor de Perseverance, fue la primera misión en llevar la impresión 3D al Planeta Rojo. Aterrizó en 2012 con una pieza de cerámica impresa en 3D dentro del instrumento de análisis de muestras en Marte (SAM) similar a un horno del vehículo. Desde entonces, la NASA ha continuado probando la impresión 3D para su uso en naves espaciales para asegurarse de que se comprenda bien la confiabilidad de las piezas.

Como “estructuras secundarias”, las piezas impresas de Perseverance no pondrían en peligro la misión si no funcionaran según lo planeado, pero como dijo Pate, “volar estas piezas a Marte es un gran hito que abre la puerta un poco más para la fabricación aditiva en la industria espacial “.

La capa exterior de PIXL, uno de los instrumentos a bordo del Rover Mars Perseverance de la NASA, incluye varias partes que fueron hechas de titanio impreso en 3D. El recuadro muestra la mitad frontal de la parte de la carcasa de dos piezas en la que se terminó.
Créditos: NASA / JPL-Caltech.
Un caparazón para PIXL

De las 11 partes impresas que van a Marte, cinco están en el instrumento PIXL de Perseverance. Abreviatura de Instrumento planetario para litoquímica de rayos X, el dispositivo del tamaño de un tupper ayudará al rover a buscar signos de vida microbiana fosilizada disparando rayos X en las superficies de las rocas para analizarlos.

PIXL comparte espacio con otras herramientas en la torreta giratoria de 40 kilogramos al final del brazo robótico de 2 metros de largo del rover. Para hacer que el instrumento sea lo más ligero posible, el equipo de JPL diseñó la carcasa de titanio de dos piezas de PIXL, un marco de montaje y dos puntales de soporte que aseguran la carcasa al extremo del brazo para que sea hueca y extremadamente delgada. De hecho, las piezas, que fueron impresas en 3D por un proveedor llamado Carpenter Additive, tienen tres o cuatro veces menos masa que si se hubieran producido de forma convencional.

“En un sentido muy real, la impresión 3D hizo posible este instrumento”, dijo Michael Schein, ingeniero mecánico principal de PIXL en JPL. “Estas técnicas nos permitieron lograr un apuntado de baja masa y alta precisión que no se podría hacer con la fabricación convencional”.

Esta imagen de rayos X muestra el interior de un intercambiador de calor impreso en 3D en el instrumento MOXIE de Perseverance. Imágenes de rayos X como estas se utilizan para comprobar si hay defectos en las piezas.
Créditos: NASA / JPL-Caltech.
MOXIE enciende el calor

Las otras seis partes impresas en 3D de Perseverance se pueden encontrar en un instrumento llamado Mars Oxygen In-Situ Resource Utilization Experiment, o MOXIE. Este dispositivo probará tecnología que, en el futuro, podría producir cantidades industriales de oxígeno para crear propulsores de cohetes en Marte, ayudando a los astronautas a lanzarse de regreso a la Tierra.

Para crear oxígeno, MOXIE calienta el aire marciano hasta casi 800 grados Celsius. Dentro del dispositivo hay seis intercambiadores de calor: placas de aleación de níquel del tamaño de la palma de la mano que protegen las partes clave del instrumento de los efectos de las altas temperaturas.

Si bien un intercambiador de calor mecanizado convencionalmente tendría que estar hecho de dos partes y soldarse entre sí, los MOXIE se imprimieron en 3D como una sola pieza en la cercana Caltech, que administra JPL para la NASA.

“Este tipo de piezas de níquel se denominan superaleaciones porque mantienen su resistencia incluso a temperaturas muy altas”, dijo Samad Firdosy, ingeniero de materiales de JPL que ayudó a desarrollar los intercambiadores de calor. “Las superaleaciones se encuentran típicamente en motores a reacción o turbinas generadoras de energía. Son realmente buenas para resistir la corrosión, incluso cuando están muy calientes”.

Aunque el nuevo proceso de fabricación ofrece comodidad, cada capa de aleación que coloca la impresora puede formar poros o grietas que pueden debilitar el material. Para evitar esto, las placas se trataron en una prensa isostática caliente, una trituradora de gas, que calienta el material a más de 1.000 grados Celsius y agrega una presión intensa de manera uniforme alrededor de la pieza. Luego, los ingenieros usaron microscopios y muchas pruebas mecánicas para verificar la microestructura de los intercambiadores y asegurarse de que fueran adecuados para el vuelo espacial.

“Realmente amo las microestructuras”, dijo Firdosy. “Para mí, ver ese tipo de detalle a medida que se imprime el material, y cómo evoluciona para hacer esta parte funcional que está volando a Marte, es genial”.

Más sobre la misión

Un objetivo clave de la misión de Perseverance en Marte es la astrobiología, incluida la búsqueda de signos de vida microbiana antigua. El rover caracterizará la geología del planeta y el clima pasado, allanará el camino para la exploración humana del Planeta Rojo y será la primera misión en recolectar y almacenar rocas y regolitos marcianos (rocas y polvo rotos).

Las misiones posteriores, actualmente bajo consideración por la NASA en cooperación con la ESA (la Agencia Espacial Europea), enviarían naves espaciales a Marte para recolectar estas muestras almacenadas en la superficie y devolverlas a la Tierra para un análisis en profundidad.

La misión Mars 2020 es parte de un programa más amplio que incluye misiones a la Luna como una forma de prepararse para la exploración humana del Planeta Rojo. Encargada de devolver astronautas a la Luna para 2024, la NASA establecerá una presencia humana sostenida en la Luna y sus alrededores para 2028 a través de los planes de exploración lunar Artemis de la NASA.

JPL, que es administrado por la NASA por Caltech en Pasadena, en el sur de California, construyó y administra las operaciones de los rovers Perseverance y Curiosity.