¿Necesita el mundo un cohete impreso en 3D?

Una imagen de una pieza de cohete impresa en 3D Damon Casarez

Los pisos blancos, una vez prístinos, que aparecen en espacio de la relatividad Las fotos de relaciones públicas ahora están rayadas y recubiertas con los residuos de un taller mecánico típico. Dentro de su almacén en las afueras de Los Ángeles, tres brazos robóticos cuelgan imponentes junto a un contenedor lleno de una bobina de alambre de metal. La tapa del contenedor tiene un agujero dentado como si alguien lo hubiera perforado en un mal día; Se ha colocado cinta adhesiva para cubrir los bordes afilados. Esta es una máquina que ha sido llevada al límite, al servicio de un objetivo elevado. Dirigida por sus fundadores, Tim Ellis y Jordan Noone, Relativity está intentando crear el 95% de su cohete, Terran 1, usando impresión 3D, en solo 60 días.

Leíste bien: el plan es pasar de materia prima a un cohete listo para el lanzamiento en dos meses. Si suena audaz, es porque lo es. Enormemente. La impresión 3D está teniendo un momento en la industria de los vuelos espaciales: todos, desde SpaceX hasta Blue Origin, nuevas empresas menos conocidas y tiendas de cohetes de la vieja guardia, están jugando con la tecnología, y algunos han ido tan lejos como para imprimir sus propios motores desde cero. Pero incluso los ingenieros a la vanguardia de los cohetes impresos en 3D no saben qué hacer con la nueva empresa de Ellis y Noone. Y más de uno piensa que están locos.

Esta historia fue parte de nuestra edición de julio de 2019

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Tradicionalmente, la industria aeroespacial no ha cambiado rápidamente, y por una buena razón: los cohetes son explosiones controladas que ponen en juego enormes sumas de dinero y, a veces, vidas humanas. Relativity tiene como objetivo ganarse a los escépticos y los renuentes con un lanzamiento de prueba en 2020. La cuestión es que aún no han impreso un cohete completo.

En esencia, los cohetes constan de cuatro sistemas principales: cargas útiles, guía, propulsión y estructuras. La carga útil es lo que lleva el cohete. La guía consta de sensores que mantienen la nave en el objetivo, y la propulsión se compone del combustible y el motor que la hacen funcionar. Las estructuras son el resto del marco, el cono y las aletas del cohete, piezas que normalmente se fabrican con máquinas de fresado CNC ultraprecisas y soldadura manual.

Esa es toda una forma de decir que detrás de cada lanzamiento exitoso hay una gran cantidad de mano de obra y una vasta red de proveedores que trabajan en conjunto para ensamblar cada vehículo. Al optimizar la cadena de suministro, Relativity espera reducir drásticamente el tiempo de producción.

Pero este objetivo de imprimir el exterior y el tanque de combustible de más de 100 pies de altura (30 metros) de la Terran 1 viene con un desafío adicional: crear impresoras que puedan realizar la tarea. Construir una compañía de cohetes es difícil, construir una compañía de impresión 3D es difícil y construir ambas juntas al mismo tiempo es una locura, dice Ellis, CEO de Relativity. Pero si bien es la parte más difícil del trabajo, también es el ingrediente secreto que hará de Relativity una empresa que cambiará el mundo.

Si Terran I va a llegar al espacio, su tanque de combustible de 11 pies de altura debe funcionar como un sueño. Damon Casarez

Sin embargo, todavía hay un camino por recorrer antes de cambiar el mundo. No vamos a volar un cohete a menos que desarrollemos estas tecnologías de impresión 3D de metal, admite Ellis. Eso proporciona un poco de patada existencial en el trasero para resolverlo, porque esta es la única forma en que vamos a llegar a nuestro objetivo.

Hijos del Stargate

La impresora solitaria de 20 pies de altura de Relativity, Stargate, ha estado sirviendo a la compañía desde que salió del modo sigiloso en 2017, pero finalmente está a punto de tomar un descanso. En un edificio cercano hay cuatro modelos actualizados recién salidos de la caja. Cada uno está protegido por largas aletas negras que se extienden desde el techo del almacén hasta el suelo y traicionan su novedad con un olor acre a plástico. Uno tiene un pequeño aro de baloncesto de juguete colgando de él, como si, hasta ahora, hubiera servido más a menudo como tablero que como impresora de cohetes.

Una imagen gigante salpicada en la pared representa una visión esperada del futuro de la empresa: un almacén lleno de nada más que Stargates, impresoras más pequeñas y brazos robóticos. El paraíso de un ingeniero y la pesadilla de un maquinista. Son los robots los que ocupan los titulares de nuestros trabajos en forma de mural.

Las máquinas descomunales parecen sonreír ante décadas de montaje de cohetes. Durante el programa Apolo, los ingenieros enfrentaron dificultades extremas para lograr soldaduras perfectas en la serie de cohetes Saturno. Incluso los soldadores experimentados debían recibir capacitación especializada para completar las largas y precisas pasadas de soldadura requeridas. Ahora un robot está soldando todo.

Construir una compañía de cohetes es difícil, construir una compañía de impresión 3D es difícil, y construir ambas juntas al mismo tiempo es casi una locura.

Stargate y su descendencia usan una variante de lo que se conoce como deposición de energía dirigida. Los métodos de fabricación tradicionales implican tallar un producto terminado a partir de un bloque de material. La impresión 3D construye un objeto capa por capa, lo que permite la creación de objetos livianos con estructuras internas intrincadas que son imposibles de hacer de otra manera. La forma más frecuente de impresión 3D se llama modelado por deposición fundida: un material, a menudo plástico, se derrite y se exprime de una boquilla en patrones precisos para construir un objeto. Combine eso con la soldadura y tendrá una deposición de energía dirigida.

Los conceptos básicos de la soldadura implican suministrar un flujo constante de alambre de metal con una mano y calor con la otra. Stargate hace esto automáticamente, sacando alambre de una extrusora en el extremo de un brazo robótico alto. El metal se calienta con plasma eléctrico (y, a veces, un láser) y luego se coloca de acuerdo con las instrucciones de una computadora. Una combinación de controles electrónicos, cámaras termográficas y sensores montados cerca de donde se deposita el material adaptan la impresión a medida que se crea. Nuestra visión de la impresión 3D es la automatización definida por software para la industria aeroespacial, dice Ellis. Eso se está acercando a la visión a largo plazo de los cohetes de impresión 3D en Marte. Estas son exactamente las herramientas que vamos a necesitar para construir cosas en otros planetas.

La forma en que Ellis habla de su compañía recuerda las exaltaciones de Elon Musk sobre SpaceX y Tesla, solo que Ellis dice que está completando una pieza del rompecabezas de Marte que Musk aún no ha abordado. La idea es tener dos productos. Uno es el vehículo de lanzamiento de cohetes. La otra es la fábrica, dice. Con el tiempo, vemos que la fábrica puede reducirse cada vez más y más hasta que eventualmente sea algo que podamos lanzar en un gran cohete. Tú construyes la máquina que hace la máquina. Y luego lanzarlo a Marte. Simple.

Relativity dio un pequeño paso hacia esa visión el mes pasado, al anunciar que había firmado un contrato de arrendamiento de nueve años con la NASA en una instalación de 220,000 pies cuadrados en Mississippi que se convertirá en su primera fábrica de cohetes autónomos.

Incluso otras compañías de cohetes que persiguen agresivamente la impresión 3D (también conocida como fabricación aditiva) no están completamente convencidas de que así sea el futuro. Rocket Lab, uno de los pocos lanzadores de satélites pequeños que vuelan vuelos comerciales, se ha basado en la fabricación aditiva para crear motores, válvulas, colectores y una serie de otros componentes complejos; su CEO, Peter Beck, dice: No hay forma de que podamos producir el volumen y el rendimiento de los motores que estamos produciendo ahora sin la tecnología de impresión 3D. ¿Pero un cohete entero? Ir e imprimir una caja o tanque de aviónica o algo así no tiene ningún sentido, porque hay procesos mucho más eficientes para hacerlo, dice Beck. No quiero llover sobre el desfile de Tim. Le deseo lo mejor, pero desde la perspectiva de la ingeniería, no tiene ningún sentido para nosotros.

Al final, los clientes son los que necesitarán una prueba de la sabiduría del método de Relativity. Como la mayoría de las compañías de cohetes antes de su primer lanzamiento, Relativity está vendiendo a sus clientes datos de prueba y el equipo que se ha ensamblado. En última instancia, es una creencia y un acto de fe que vamos a ejecutar, dice Ellis. Pero sí, es bastante grande. Y definitivamente, es un proceso llegar a eso.

Evidentemente, algunos clientes están dispuestos a dar ese salto. Relativity ya ha anunciado públicamente tres clientes con lanzamientos reservados para 2021 y 2022: la compañía de comunicaciones canadiense Telesat, Spaceflight con sede en Washington (que ayuda a coordinar viajes compartidos por satélite en lanzamientos más grandes) y mu Space de Tailandia. Nadie dice que una vez que Relativity demuestre que puede lanzar con éxito en 2020, planea aumentar la cantidad de vuelos que lanza cada año de 12 a 24.

Este tipo de líneas de tiempo agresivas están integradas en la tradición de la compañía. Hace tres años, poco después de que Ellis y Noone dejaran sus primeros trabajos fuera de la universidad en Blue Origin y SpaceX, respectivamente, se dirigieron al inversor Mark Cuban por correo electrónico para solicitar financiación inicial. El mensaje tenía como asunto El espacio es sexy: impresión 3D de un cohete completo. Cuban, que realiza la mayoría de sus negocios a través del correo electrónico, respondió cinco minutos después diciendo que quería invertir 500.000 dólares. Dos meses después lo hizo. Según Cuban, no fue solo el elemento de fabricación aditiva lo que llamó su atención. La idea era única. Ojalá lo hubiera pensado, dice. Estaban calificados y eran locales. (Ellis es de Texas, donde vive Cuban).

Desde la infusión, Relativity ha puesto el pie en el acelerador. El año pasado creció de 14 personas a más de 80. El equipo ahora incluye a Tim Buzza, uno de los primeros empleados de SpaceX y ex vicepresidente de lanzamiento de SpaceX y Virgin Orbit, y David Giger, un empleado de SpaceX de 12 años que se desempeñó como director senior de ingeniería para la cápsula Dragon de la compañía.

Los humanos todavía están al día con las impresoras Stargate de Relativity, por ahora, de todos modos. Damon Casarez

No quiero llover sobre el desfile de Tim. Le deseo lo mejor, pero desde la perspectiva de la ingeniería, no tiene ningún sentido para nosotros.

Ellis, el líder de la contratación y obtención de capital, no parece tener problemas para ganarse a la gente en todos los niveles. Tiene un lugar en el Grupo Asesor de Usuarios del Consejo Nacional del Espacio de la Casa Blanca, y los contratos y el efectivo fluyen hacia la empresa. Relativity ha cerrado una ronda de financiación de la serie B de 35 millones de dólares, ha llegado a un acuerdo con la NASA para probar sus motores en el Centro Espacial Stennis en Mississippi (la misma instalación a la que eventualmente irá su fábrica autónoma) y ha recibido permiso para lanzarse en uno de los más sitios de lanzamiento competitivos en el mundo: Cabo Cañaveral en Florida.

Este último golpe, anunciado en enero, alinea al Terran 1 para su lanzamiento desde el sagrado Complejo de Lanzamiento 16, que una vez fue sede de lanzamientos de misiles Titán, el programa Apolo y el programa Gemini. Movimientos de alto perfil como ese han forzado el nombre de Relativity en conversaciones sobre compañías como SpaceX, Blue Origin y United Launch Alliance, anteriormente los únicos tres equipos con permisos para despegar de Cabo Cañaveral.

Imprimir un cohete significa hacer secciones de prueba, cortarlas en pedazos y probar un poco más. ¿Mencionamos las pruebas? Damon Casarez

La impresión despega

La relatividad no es la única que espera que la impresión 3D la impulse a la élite de los vuelos espaciales. Startups como Virgin Orbit, Firefly y Electron están compitiendo para demostrar que, como Rocket Lab, tienen lo necesario para lanzar pequeños satélites al espacio. Incluso empresas establecidas como Aerojet Rocketdyne están tratando de demostrar que la impresión 3D está a la par, o incluso es más confiable, que las técnicas de fabricación tradicionales.

Pero nadie va tan duro y rápido como Relativity. Aerojet construye motores para contratos gubernamentales y cohetes aptos para humanos como el Sistema de lanzamiento espacial de la NASA, que deben ser más consistentes y confiables. La compañía dice que más del 60% de su investigación y desarrollo para la impresión 3D no ha sido más que establecer una base de datos de las propiedades químicas y estructurales de diferentes materiales. Otros pueden pasar por alto eso, y ese es su derecho de hacerlo como una postura de aceptación de riesgos, dice Jeff Haynes, gerente senior de programas avanzados de Aerojet.

Por el contrario, en Relativity, si ponemos un motor completamente impreso en el banco de pruebas, lo encendemos con éxito y luego lo hacemos volar, eso para nosotros es un éxito, dice Noone. Podría escribir cientos de páginas de especificaciones que le digan cómo llegar allí y cómo fabricarlo, pero tenemos nuestras formas de hacerlo. No me gustaría estar obsesionado con la creación de la especificación en lugar de simplemente probar algo y demostrar que funciona.

Esa mentalidad de moverse rápido y romper las cosas conduciría a muchas noches de insomnio para la mayoría de los diseñadores de cohetes. Virgin Orbit, un competidor de Relativity, tiene piezas fabricadas aditivamente en su primer cohete LauncherOne, pero la compañía está feliz de ser fácil con la tecnología de moda. El motor del vehículo LauncherOne en este momento utiliza métodos de fabricación muy confiables que la NASA ha probado desde los años 50 y 60, porque [la prioridad] número uno para los vehículos de primer lanzamiento es la confiabilidad, dice el gerente de fabricación avanzada de Virgin Orbit, Kevin Zagorski.

Las otras empresas que dan una oportunidad a la fabricación aditiva van desde Blue Origin de Jeff Bezos, donde Ellis participó en la compra de la primera impresora 3D de metal de la empresa durante una de sus tres pasantías allí, hasta Launcher, una pequeña empresa emergente que afirmó haber hecho el El motor de cohete impreso en 3D más grande del mundo. Pesados ​​como SpaceX, NASA, Rocket Lab, United Launch Alliance y ArianeGroup también han ingresado al círculo de la impresión 3D.

Las razones que dan la mayoría de estas organizaciones para usar la técnica son dos: puede construir algo con menos piezas y modificar los diseños más rápidamente. Inicialmente, Beck de Rocket Lab vio que la fabricación aditiva tenía una mala reputación porque no se usaba de manera efectiva. Alguien tomaría un componente fabricado de forma sustractiva [es decir, mecanizado] e intentaría imprimirlo en 3D. Resultaría más caro y llevaría más tiempo, dice. Pero como cualquier nueva tecnología, se trata de diseñar para el proceso. Donde las piezas impresas en 3D realmente sobresalen es donde tienes una complejidad realmente alta y fusionas muchas piezas en una sola.

Por su parte, Relativity se jacta de que Terran 1 tendrá solo una centésima parte de las partes que tiene un cohete estándar. Su motor, Aeon 1, está hecho de solo tres partes ensambladas.

Sin embargo, es difícil determinar cuánto de esto es un truco de relaciones públicas. Anunciar que has hecho lo primero es tentador, especialmente para las pequeñas empresas emergentes. Relativity, por ejemplo, afirma haber construido la impresora 3D de metal más grande, al igual que Sciaky y Titomic, dos empresas de hardware industrial que no están en el negocio espacial. Todo el mundo está tratando de tener un punto de diferenciación y tratando de captar algunos titulares, dice Beck. Si alguien quiere hablar sobre la impresión en 3D de algo, está bien, pero es algo divertido.

Incluso si la impresión en 3D de un cohete completo no es práctica, estoy realmente seguro de que, en cualquier caso, resultará útil, dice Dan Erwin, jefe de ingeniería astronáutica de la Universidad del Sur de California. Erwin dirigía el laboratorio de cohetes de la USC cuando Ellis y Noone estudiaban allí, pero no ha trabajado con ellos desde entonces. Tengo la intuición de que esta es una de esas cosas del tipo 'si lo construyes, vendrán', dice. Independientemente de si Relativity lanza un cohete para el próximo año, está obligando a una industria de lento movimiento a observar más de cerca, y tal vez avanzar, una tecnología que tiene usos fuera de los vuelos espaciales. El resultado final podría no ser más que una nueva generación de impresoras. O podría ser el cohete con destino a Marte que a todos nos han prometido. La vida es demasiado corta como para esperar a que el futuro suceda más rápido, dice Ellis. Deberíamos crearlo.

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