Behöver världen en 3D-printad raket?

En bild av en 3D-tryckt raketpjäs Damon Casarez

De en gång orörda vita golven fanns med Relativitetsrymden PR-bilder är nu skavda och belagda med rester av en typisk maskinverkstad. Inne i dess lager i utkanten av Los Angeles hänger tre robotarmar imponerande bredvid en behållare fylld med en spole av metalltråd. Behållarens lock har ett taggigt hål som om någon slog igenom det en dålig dag; tejp har lagts på för att täcka de vassa kanterna. Detta är en maskin som har pressats till sina gränser, i tjänst för ett högt mål. Ledda av dess grundare, Tim Ellis och Jordan Noone, försöker Relativity skapa 95 % av sin raket, Terran 1, med hjälp av 3D-utskrift, på bara 60 dagar.

Du läste rätt: planen är att gå från råmaterial till en avfyrningsklar raket på två månader. Om det låter djärvt, är det för att det är det. Enormt. 3D-utskrift har ett ögonblick i rymdfartsindustrin – alla från SpaceX till Blue Origin till mindre kända startups och gammaldags raketbutiker pysslar med tekniken, och vissa har gått så långt som att skriva ut sina egna motorer från grunden. Men även ingenjörer på framkanten av 3D-printade raketer vet inte vad de ska göra av Ellis och Noones uppkomlingföretag. Och fler än en tror att de bara är galna.

Den här historien var en del av vårt julinummer 2019

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Traditionellt har flygindustrin inte varit snabb med att förändras, och av goda skäl: raketer är kontrollerade explosioner som sätter enorma summor pengar och ibland människoliv på spel. Relativity siktar på att vinna över skeptiker och hållouts med en testuppskjutning 2020. Saken är den att de inte ens har skrivit ut en hel raket än.

I sin kärna består raketer av fyra huvudsystem: nyttolaster, styrning, framdrivning och strukturer. Nyttolasten är vad raketen än bär. Styrningen består av sensorer som håller farkosten på mål och framdrivningen består av bränslet och motorn som gör att den går. Strukturerna är resten av raketens ram, kon och fenor - delar som vanligtvis tillverkas med ultraexakta CNC-fräsmaskiner och handsvetsning.

Det är bara ett sätt att säga att bakom varje framgångsrik lansering ligger en enorm mängd arbete och ett stort nätverk av leverantörer som arbetar tillsammans för att montera varje fordon. Genom att effektivisera försörjningskedjan hoppas Relativity kunna minska produktionstiden kraftigt.

Men målet att skriva ut Terran 1:s mer än 30 meter höga exteriör och bränsletank kommer med en extra utmaning: att skapa skrivare som kan utföra uppgiften. Att bygga ett raketföretag är svårt, att bygga ett 3D-utskriftsföretag är svårt, och att bygga båda tillsammans samtidigt är på gränsen, säger Ellis, Relativitys vd. Men även om det är den svåraste delen av jobbet, är det också den hemliga såsen som kommer att göra Relativity till ett världsföränderligt företag.

Om Terran I ska komma till rymden måste dess 11 fot höga bränsletank fungera som en dröm. Damon Casarez

Det finns fortfarande en väg att gå innan någon värld förändras. Vi kommer inte att flyga en raket om vi inte får dessa 3D-utskriftstekniker av metall utvecklade, medger Ellis. Så det ger en hel del existentiell kick i baken för att ta reda på det, för detta är det enda sättet vi faktiskt kommer att nå vårt mål.

Barn av Stargate

Relativitys ensamma 20 fot höga skrivare, Stargate, har tjänat företaget sedan det lämnade stealth-läget 2017, men det är äntligen på väg att få en paus. I en närliggande byggnad finns fyra uppdaterade, fräscha modeller. Var och en är skyddad av långa svarta flikar som löper från lagrets tak till golvet och förråder sin nyhet med en stickande plastlukt. En har en liten leksaksbasketkorg hängande på den - som om den hittills oftare har tjänat som en ryggbräda än en raketskrivare.

En gigantisk bild stänkt över väggen skildrar en efterlängtad vision av företagets framtid: ett lager fullt med bara Stargates, mindre skrivare och robotarmar. Ett ingenjörsparadis och en maskinists mardröm. Det är robotarna som tar rubrikerna på våra jobb i form av väggmålningar.

De skrymmande maskinerna verkar le åt decennier av raketmontering. Under Apollo-programmet hade ingenjörer extrema svårigheter att uppnå perfekta svetsar på Saturn-serien av raketer. Även erfarna svetsare var tvungna att ges specialutbildning för att klara de långa, exakta svetspass som krävdes. Nu svetsar en robot det hela.

Att bygga ett raketföretag är svårt, att bygga ett 3D-utskriftsföretag är svårt och att bygga båda tillsammans samtidigt är på gränsen.

Stargate och dess avkomma använder en variant av vad som kallas riktad energideposition. Traditionella tillverkningsmetoder innebär att man skär en färdig produkt från ett materialblock. 3D-utskrift bygger upp ett objekt lager för lager istället, vilket möjliggör skapandet av lätta objekt med intrikata inre strukturer som är omöjliga att göra på annat sätt. Den vanligaste formen av 3D-utskrift kallas fused deposition modellering - ett material, ofta plast, smälts och pressas ut ur ett munstycke i exakta mönster för att bygga ett föremål. Kombinera det med svetsning och du har riktat energideponering.

Grunderna för svetsning innebär att tillföra en jämn ström av metalltråd med ena handen och värme med den andra. Stargate gör detta automatiskt och matar ut tråd ur en extruder på änden av en hög robotarm. Metallen värms upp med elektrisk plasma (och ibland laser) och läggs sedan ner enligt en dators instruktioner. En kombination av elektroniska kontroller, värmekameror och sensorer monterade nära där materialet deponeras anpassar utskriften när den skapas. Vår vision om 3D-utskrift är mjukvarudefinierad automation för flygindustrin, säger Ellis. Det går mot den långsiktiga visionen av 3D-utskriftsraketer på Mars. Det här är exakt de verktyg vi kommer att behöva för att faktiskt bygga saker på andra planeter.

Sättet Ellis pratar om sitt företag på för tankarna till Elon Musks jubel om SpaceX och Tesla, bara Ellis säger att han håller på att slutföra en bit av Mars-pusslet som Musk ännu inte tar itu med. Tanken är att ha två produkter. Den ena är raketuppskjutningsfordonet. Den andra är fabriken, säger han. Med tiden kommer fabriken vi ser att kunna krympa ner och mindre och mindre tills det så småningom är något som vi faktiskt bara kan skjuta upp på en stor raket. Du bygger maskinen som gör maskinen. Och sedan lansera den till Mars. Enkel.

Relativitetsvetenskapen tog ett litet steg mot den visionen förra månaden och tillkännagav att den hade tecknat ett nioårigt hyresavtal med NASA på en 220 000 kvadratmeter stor anläggning i Mississippi som kommer att bli dess första autonoma raketfabrik.

Även andra raketföretag som aggressivt driver 3D-utskrift (a.k.a. additiv tillverkning) är inte helt övertygade om att det är så framtiden ser ut. Rocket Lab, en av endast ett fåtal små satellituppskjutare som flyger kommersiella flygningar, har förlitat sig på additiv tillverkning för att skapa motorer, ventiler, grenrör och ett antal andra komplexa komponenter; dess VD, Peter Beck, säger: Det finns inget sätt att vi kan producera volymen och prestandan för de motorer som vi producerar nu utan 3D-utskriftsteknik. Men en hel raket? Att gå och skriva ut en flygelektroniklåda eller tank eller något sådant är ingen mening, eftersom det finns mycket effektivare processer för att göra det, säger Beck. Jag vill inte regna på Tims parad. Jag önskar honom det absolut bästa, men ur ett ingenjörsperspektiv är det absolut meningslöst för oss.

I slutändan är det kunderna som kommer att behöva bevis på klokheten i Relativitys metod. Liksom de flesta raketföretag innan deras första uppskjutning säljer Relativity sina kunder på testdata och teamet som har satts ihop. I slutändan är det en tro och ett språng i tro som vi kommer att genomföra, säger Ellis. Men ja, den är ganska stor. Och definitivt, det är en process att komma till det.

Uppenbarligen är vissa kunder villiga att ta det steget. Relativity har redan offentligt tillkännagett tre kunder med uppskjutningar bokade för 2021 och 2022: det kanadensiska kommunikationsföretaget Telesat, Washington-baserade Spaceflight (som hjälper till att koordinera andelar av satellitresor vid större uppskjutningar) och Thailands mu Space. Ingen säger att när Relativity visar att den kan lansera framgångsrikt 2020, planerar den att öka antalet flygningar som den lanserar varje år till 12 till 24.

Den här typen av aggressiva tidslinjer är inbakade i företagets lore. För tre år sedan, kort efter att Ellis och Noone var och en lämnade sina första jobb från college på Blue Origin respektive SpaceX, ställde de till investeraren Mark Cuban via e-post för att be om såddfinansiering. Meddelandet hade ämnesraden Space is sexy: 3D-utskrift av en hel raket. Cuban, som bedriver majoriteten av sin verksamhet via e-post, svarade fem minuter senare och sa att han ville investera 500 000 dollar. Två månader senare gjorde han det. Enligt Cuban var det inte bara det tillsatstillverkande elementet som fångade hans blick. Idén var unik. Jag önskar att jag hade tänkt på det, säger han. De var kvalificerade och de var lokala. (Ellis är från Texas, där kubansk bor.)

Sedan infusionen har Relativity satt foten på gasen. Under det senaste året har det vuxit från 14 personer till mer än 80. I teamet ingår nu Tim Buzza, en av de första SpaceX-anställda och tidigare VP för uppskjutning för både SpaceX och Virgin Orbit, och David Giger, en 12-årig SpaceX-anställd som tjänstgjorde som senior director of engineering för företagets Dragon-kapsel.

Människor är fortfarande i slingan med Relativitys Stargate-skrivare - för nu i alla fall. Damon Casarez

Jag vill inte regna på Tims parad. Jag önskar honom det absolut bästa, men ur ett ingenjörsperspektiv är det absolut meningslöst för oss.

Ellis, frontfiguren för att anställa och skaffa kapital, verkar inte ha problem med att vinna folk på alla nivåer. Han har en plats i Vita husets National Space Council Users Advisory Group, och kontrakt och pengar flödar in i företaget. Relativity har avslutat en finansieringsrunda för serie B på 35 miljoner dollar, gjort ett avtal med NASA för att testa dess motorer vid Stennis Space Center i Mississippi (samma anläggning där dess autonoma fabrik så småningom kommer att gå) och fått tillstånd att starta vid en av de mest konkurrenskraftiga lanseringsplatser i världen: Floridas Cape Canaveral.

Denna sista kupp, som tillkännagavs i januari, ställer Terran 1 i kö för uppskjutning från det heliga Launch Complex 16, som en gång var värd för Titan-missiluppskjutningar, Apollo-programmet och Gemini-programmet. Sådana högprofilerade drag har tvingat in Relativitys namn i konversationer om företag som SpaceX, Blue Origin och United Launch Alliance, tidigare de enda tre kläderna med tillstånd att lyfta från Cape Canaveral.

Att skriva ut en raket innebär att göra testsektioner, skära dem i bitar och testa några till. Nämnde vi att testa? Damon Casarez

Utskriften tar fart

Relativiteten är långt ifrån ensam om att hoppas att 3D-utskrift ska driva den in i rymdfartens elit. Startups inklusive Virgin Orbit, Firefly och Electron tävlar alla om att bevisa att de, precis som Rocket Lab, har vad som krävs för att skjuta upp små satelliter till rymden. Även etablerade företag som Aerojet Rocketdyne försöker bevisa att 3D-utskrift är i nivå med – eller till och med mer pålitlig än – traditionell tillverkningsteknik.

Men ingen går på det så hårt och snabbt som relativitetsteori. Aerojet bygger motorer för statliga kontrakt och människoklassade raketer som NASA:s Space Launch System, som måste vara extra konsekventa och pålitliga. Företaget säger att mer än 60 % av dess forskning och utveckling för 3D-utskrift inte har varit något annat än att upprätta en databas över de kemiska och strukturella egenskaperna hos olika material. Andra kanske hoppar över det, och det är deras rätt att göra det som en riskaccepterande hållning, säger Jeff Haynes, Aerojets senior manager för avancerade program.

Däremot, vid Relativity, om vi sätter en fullt utskriven motor på testbänken, framgångsrikt avfyrar den och sedan flyger den, är det framgång för oss, säger Noone. Du kan skriva hundratals sidor med specifikationer som berättar hur du kommer dit och hur du tillverkar det, men vi har våra sätt att göra det på. Jag skulle inte vilja vara upphängd av att skapa specifikationen snarare än att bara prova något och visa att det fungerar.

Att gå snabbt och bryta mentaliteten skulle leda till många sömnlösa nätter för de flesta raketdesigners. Virgin Orbit, en konkurrent till Relativity's, har additivtillverkade delar på sin första LauncherOne-raket, men företaget är glada över att gå lätt på trendig teknik. LauncherOne-fordonsmotorn använder just nu mycket pålitliga tillverkningsmetoder som NASA har bevisat sedan 50- och 60-talen, eftersom [prioritet] nummer ett för förstalanserade fordon är tillförlitlighet, säger Virgin Orbits avancerade tillverkningschef, Kevin Zagorski.

De andra företagen som ger additiv tillverkning en chans, sträcker sig från Jeff Bezos Blue Origin – där Ellis var med och köpte företagets första metall 3D-skrivare under en av sina tre praktikplatser där – till Launcher, en liten startup som påstod sig ha gjort världens största 3D-printade raketmotor. Svårare som SpaceX, NASA, Rocket Lab, United Launch Alliance och ArianeGroup har också gått in i 3D-utskriftsringen.

Skälen som de flesta av dessa organisationer ger för att använda tekniken är två: du kan bygga något med färre delar och justera design snabbare. Till en början såg Rocket Labs Beck att additiv tillverkning fick ett dåligt rykte eftersom det inte användes effektivt. Någon skulle ta en subtraktivt tillverkad [d.v.s. maskinbearbetad] komponent och försöka 3D-printa den. Det skulle bli dyrare och mer tidskrävande, säger han. Men som all ny teknik handlar det om att designa för processen. Där 3D-printade delar verkligen utmärker sig är där du har riktigt hög komplexitet och du slår ihop många delar till en.

Relativity skryter för sin del med att Terran 1 bara kommer att ha en hundradel så många delar som en standardraket. Dess motor, Aeon 1, är gjord av endast tre delar ihopsatta.

Hur mycket av detta är ett PR-trick är dock svårt att reda ut. Att meddela att du har gjort det första vad som är frestande, särskilt för små startups. Relativity, till exempel, hävdar att de har byggt den största 3D-skrivaren av metall – liksom Sciaky och Titomic, två industriella hårdvaruföretag som inte är i rymdbranschen. Alla vill försöka ha en poäng av differentiering och försöker få tag i några rubriker, säger Beck. Om någon vill prata om att 3D-printa något så är det bra, men det är lite underhållande.

Även om det inte är praktiskt att 3D-printa en hel raket, är jag verkligen övertygad om att det i alla fall kommer att resultera i användbara spin-offs, säger Dan Erwin, chef för astronautisk teknik vid University of Southern California. Erwin drev USC:s raketlabb när Ellis och Noone studerade där men har inte arbetat med dem sedan dess. Jag har intuitionen att det här är en sån där 'om du bygger det kommer de att komma', säger han. Oavsett om Relativity skjuter upp en raket till nästa år, tvingar den en långsamt rörlig industri att titta närmare på, och kanske avancera, en teknik som har användningar utanför rymdfärder. Slutresultatet kanske inte blir något annat än en ny typ av skrivare. Eller det kan vara den Mars-bundna raketen som vi alla har blivit lovade. Livet är för kort för att bara vänta på att framtiden ska ske snabbare, säger Ellis. Vi borde skapa det.

Dölj