Kosmiczny laser: 5 zastosowań TRUMPF w astronautyce

Po raz pierwszy zostało udowodnione, że lasery są zdolne do precyzyjnego i niezawodnego uszczelniania rozruszników serca, a później akumulatorów samochodów elektrycznych. Astronautyka obecnie wykorzystuje zgromadzoną wiedzę praktyczną i spawa stal nierdzewną, aluminium, tytan i superstopy takie jak Inconel. Głównymi tego powodami są wysoka prędkość procesu, wynosząca niekiedy kilka metrów na minutę, oraz czyste spoiny dzięki zoptymalizowanemu pod kątem czujników poborowi energii. Laserowe spawanie uszczelek staje się standardem tam, gdzie jest to szczególnie ważne, czyli w przypadku zbiorników rakietowych. Jeśli technicy serwisowi odkryją, że tracona jest nawet najmniejsza ilość paliwa, zespół musi odwołać start rakiety. Jeśli nikt nie odkryje takiego wycieku, po uruchomieniu silników serwisowych dojdzie do katastrofy. Dlatego przedsiębiorstwa z branży astronautyki wolą dla bezpieczeństwa korzystać z laserów.

Podczas spawania lasery o ultrakrótkim czasie impulsu są tak precyzyjne w dozowaniu energii, że mogą łączyć różne materiały w sposób odporny na pęknięcia i gazoszczelny, na przykład szkło i metal. Kombinacje te są szczególnie interesujące w przypadku elementów optycznych w satelitach, a być może także w oknach stacji kosmicznych. Najważniejszym argumentem przemawiającym za takim połączeniem laserowym jest to, że jest ono bezpośrednie. Oznacza to, że nie ma potrzeby stosowania skomplikowanych połączeń śrubowych ani klejów wrażliwych na temperaturę, które ponadto również zwiększają ciężar całej konstrukcji. NASA sprawdziła już ultrakrótkoimpulsowe połączenie spawane wykonane ze szkła i specjalnego stopu Invar, i planuje jego stosowanie. W wielu przypadkach bezpośrednie połączenia szkła z innym materiałem lub połączenia szkła ze szkłem są jedynym sposobem na wykorzystanie szkła w przestrzeni kosmicznej. Bezpośrednie połączenia za pomocą laserów krótkoimpulsowych termoplastów wzmocnionych włóknem węglowym i innych tworzyw sztucznych z metalem również coraz częściej zastępują klasyczne złącza gwintowe.

Każdy kilogram mniej sprawia, że lot w kosmos jest tańszy. W przypadku rakiet jest tak dlatego, że mogą one unieść większy ładunek, jeśli ważą mniej. Również sam ładunek jest tańszy w transporcie, gdy jest lżejszy. Taka była główna idea, którą kierowały się firmy, gdy zaczęły drukować elementy konstrukcyjne takie jak uchwyty do kamer: używać jak najmniejszej ilości materiałów i budować tylko pod kątem czystej funkcjonalności. Teraz jest również jasne, że rewolucja w projektowaniu sprawiła, że elementy są nie tylko lżejsze, ale nawet bardziej stabilne, ponieważ możliwe są lepsze konstrukcje. Co najważniejsze, produkcja z wykorzystaniem druku 3D – zwłaszcza w przypadku superstopów odpornych na temperaturę, takich jak Inconel – jest ostatecznie znacznie tańsza niż tradycyjne procesy mechaniczne takie jak toczenie. W astronautyce prawie wszystkie drogi prowadzą do drukarki 3D.

Transmisja danych w przestrzeni kosmicznej będzie wkrótce odbywać się za pomocą sygnałów laserowych. Nisko latające satelity LEO pędzą wokół globu z zawrotną prędkością około 7800 kilometrów na sekundę. Aby uzyskać stabilne połączenie danych, nie wystarczy zatem mieć kontaktu tylko z jednym satelitą LEO, ponieważ wkrótce znajdzie się on nad innym kontynentem. Ważna jest więc sieć. W przyszłości satelity LEO będą wymieniać informacje za pomocą lasera, a konkretnie laserowych wiązek informacyjnych pokonujących tysiące kilometrów. Wymiana danych między orbitą a Ziemią również wkrótce zacznie wykorzystywać lasery, ponieważ mają one prędkość transmisji danych nawet sto razy wyższą niż fale radiowe. To dobra wiadomość, ponieważ zapotrzebowanie na wymianę danych szybko rośnie ze względu na streaming, sztuczną inteligencję, chmurę obliczeniową, Internet rzeczy i wiele innych usług opartych na danych. Kolejną zaletę stanowi fakt, że ze względów fizycznych transmisja danych oparta na laserach jest odporna na przechwycenie – próba szpiegostwa zostałaby natychmiast wykryta. Transmisja laserowa między dwoma satelitami i między satelitą a Ziemią działa już w zaawansowanych technologicznie satelitach wojskowych. Eksperci szacują, że w ciągu dziesięciu lat technologia ta zadomowi się również w sieciach komercyjnych.

Silniki rakietowe i stery strumieniowe – małe silniki, które ustawiają, hamują lub przyspieszają sondy lub satelity – wymagają do działania wewnętrznych kanałów chłodzących paliwo. W przypadku małych sterów strumieniowych nie ma innej opcji niż produkcja addytywna ze względu na niewielką grubość ścianek, a nawet w przypadku większych nie ma tańszego rozwiązania. Spawanie laserowe może być również wykorzystywane do tworzenia większych struktur z wewnętrznymi kanałami takimi jak dysze silnika. Dodatkową zaletę stanowi fakt, że proces jest bimetaliczny i polega na tworzeniu pożądanych metali w zależności od funkcji. Przykładowo w przypadku dyszy miedź od wewnątrz zapewnia optymalny przepływ ciepła, a mocna warstwa Inconelu na zewnątrz zapewnia stabilność.