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Damon Cesarez

Computación

El día que la impresión 3D se volvió clave para la carrera espacial

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Todos los actores del sector han incorporado la fabricación aditiva en mayor o menor medida. Por encima de todas destaca Relativity Space, que planea el 95 % de su cohete, Terran 1, con esta tecnología en solo 60 días. Lo logren o no, su estrategia podría revoluionar la fabricación espacial

  • por Erin Winick | traducido por Ana Milutinovic
  • 10 Julio, 2019

Los suelos blancos impolutos que aparecen en las fotos de promoción de Relativity Space, ahora están rayados y cubiertos de los residuos típicos de un taller. En su almacén en las afueras de Los Ángeles (EE. UU.), hay tres imponentes brazos robóticos junto a un contenedor lleno de alambre de metal. La tapa del contenedor tiene un agujero irregular, como si alguien lo hubiera perforado de mala manera, con cinta adhesiva pegada para cubrir los bordes afilados. Esta máquina ha sido llevada hasta sus límites para cumplir un gran objetivo. Dirigida por sus fundadores, Tim Ellis y Jordan Noone, la empresa Relativity está intentando crear el 95 % de su cohete, Terran 1, mediante impresión 3D, en solo 60 días.

Lo ha leído bien: el plan que la materia prima se convierta en un cohete listo para el lanzamiento en dos meses. Si suena audaz, es porque lo es. Y mucho. La impresión 3D está de moda en la industria de los vuelos espaciales: desde SpaceX hasta Blue Origin, incluidas las start-ups menos conocidas y fabricantes de cohetes de la vieja guardia están aplicando esta tecnología, y algunos han llegado a producir así sus propios motores desde cero. Pero ni siquiera los ingenieros de cohetes más expertos en impresión 3D saben qué pensar sobre la nueva empresa de Ellis y Noone. Y más de uno cree que están locos.

Tradicionalmente, la industria aeroespacial no suele introducir cambios rápidos, y por una buena razón: los cohetes son explosiones controladas que ponen en riesgo enormes cantidades de dinero y, a veces también, vidas humanas. Relativity quiere ganarse a los escépticos y críticos con un lanzamiento de prueba en 2020. Pero de momento, no han imprimido su cohete al completo.

Los cohetes se componen de cuatro sistemas principales: carga útil, sistema de guía, sistema de propulsión y estructuras. La carga útil es lo que el cohete lleva a bordo. El sistema de guía consiste en sensores que dirigen la nave hacia su objetivo, y el sistema de propulsión se compone del combustible y del motor que lo pone en marcha. Las estructuras son todo lo demás: el bastidor, el cono y las aletas del cohete, partes que normalmente se fabrican con fresadoras CNC ultra precisas y soldaduras manuales.

Es una forma de decir que detrás de cada lanzamiento exitoso hay muchísima mano de obra y una enorme red de proveedores que trabajan conjuntamente para ensamblar cada cohete. Relativity espera reducir bastante el tiempo de producción optimizando la cadena de suministro.

Pero el reto de imprimir el tanque de combustible y el exterior de más 30 metros del cohete Terran 1 supone un desafío adicional: hay que crear impresoras para hacerlo. El CEO de Relativity, Ellis, afirma: "Crear una compañía de cohetes es difícil y una empresa de impresión en 3D lo es también, pero crear ambas al mismo tiempo es casi una locura. Pero aunque esta sea la parte más difícil del trabajo, también es el ingrediente secreto que hará que Relativity cambie el mundo".

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

Foto: Si Terran I logra llegar al espacio, su tanque de combustible de 3,35 metros de altura debe funcionar perfectamente. Créditos: Damon Cesarez

Pero, todavía queda mucho camino por recorrer antes de cambiar el mundo. El responsable añade: "No vamos a lanzar el cohete antes de desarrollar todas las tecnologías de impresión 3D de metal. Y eso es lo más difícil, porque es la única forma de llevar a cabo nuestro objetivo".

Hijos del Stargate

La única impresora seis metros de altura de Relativity, Stargate, ha estado trabajando para la compañía desde que se hizo pública en 2017. Pero ahora podría estar a punto de tomarse unas vacaciones. En un edificio cercano hay cuatro nuevos modelos actualizados, listos para usar. Cada uno está protegido por largas capas negras que van desde el techo del almacén hasta el suelo y su fuerte olor a plástico delata su nacimiento reciente. Uno de ellos tiene colgando un pequeño de aro de baloncesto de juguete, como si, hasta ahora, sirvieran más para jugar y no imprimir cohetes.

Una imagen gigante en la pared representa la idea del futuro que espera la compañía: un almacén lleno de Stargates, impresoras más pequeñas y brazos robóticos. El paraíso de un ingeniero y la pesadilla de un maquinista. Parece un titular de "los robots nos quitarán el trabajo" en forma de mural.

Las enormes máquinas parecen burlarse de las décadas de construcción de cohetes. Durante el programa Apolo, los ingenieros tuvieron enormes dificultades para lograr soldaduras perfectas en los cohetes Saturn. Incluso los soldadores más experimentados tenían que recibir formación especializada para conseguir los pases de soldadura largos y precisos que se necesitaban. Ahora un robot puede soldarlo todo.

"Crear una compañía de cohetes es difícil y una empresa de impresión en 3D lo es también, pero crear ambas al mismo tiempo es casi una locura".

Stargate y sus descendientes utilizan una variante de lo que se conoce como deposición de energía dirigida. Los métodos de fabricación tradicionales tallan un producto a partir de un bloque de material. La impresión 3D construye un objeto capa por capa, lo que permite objetos ligeros con estructuras internas complejas e imposibles de realizar de otra manera. La forma más frecuente de la impresión en 3D se denomina modelado por deposición fundida: un material, a menudo plástico, se funde y se expulsa en patrones precisos para construir un objeto. Ese proceso combinado con la soldadura crea la deposición de energía dirigida.

Soldar consiste, básicamente, en sujetar constantemente con una mano un alambre de metal y calentarlo con la otra mano. Stargate lo hace automáticamente, sacando alambre de una parte extrusora de un alto brazo robótico. El metal se calienta utilizando plasma eléctrico (y algunas veces un láser) y luego se coloca según las instrucciones del ordenador. Una combinación de controles electrónicos, cámaras de imagen térmica y sensores cerca del lugar donde se deposita el material modela lo impreso mientras sale. Ellis detalla: "Nuestra visión de la impresión 3D es la automatización definida por software para la industria aeroespacial. A largo plazo, se trata de cumplir el sueño de imprimir cohetes en 3D en Marte. Estas son exactamente las herramientas que necesitaremos para poder construir en otros planetas".

La forma en la que Ellis habla de su compañía recuerda al entusiasmo de Elon Musk sobre SpaceX y Tesla, solo que Ellis asegura que está a punto de solucionar una pieza del rompecabezas de Marte que Musk aún no contempla. El responsable detalla: "El planteamiento consiste en tener dos productos. Uno es el vehículo de lanzamiento de cohetes. El otro es la fábrica. Con el tiempo, la fábrica se reducirá cada vez más hasta que finalmente la podamos lanzar en un gran cohete". Construir una máquina que crea otra máquina. Y luego lanzarla a Marte. Sencillo.

El mes pasado Relativity dio un pequeño paso hacia esa visión cuando anunció que había firmado con la NASA un contrato de arrendamiento por nueve años de una instalación de 67.000 metros cuadrados que se convertirá en su primera fábrica autónoma de cohetes.

Ni siquiera las compañías de cohetes que se dedican activamente a la impresión 3D (también conocida como la fabricación aditiva) están convencidas de que el futuro será así. Rocket Lab, uno de los pocos lanzadores de pequeños satélites con vuelos comerciales, se ha basado en la fabricación aditiva para crear motores, válvulas, colectores y varios otros componentes complejos; pero su CEO, Peter Beck, asegura: "Sin impresión 3D, ahora es imposible producir el volumen y el rendimiento de los motores que fabricamos". ¿Pero un cohete completo? El responsable añade: "Imprimir una caja aviónica o un depósito o algo parecido no tiene ningún sentido, porque hay procesos mucho más eficientes para hacerlo. No quiero aguarle la fiesta a Tim. Le deseo todo lo mejor, pero desde una perspectiva de ingeniería, no tiene ningún sentido".

Al final, serán los clientes quienes pidan pruebas del método de Relativity. Como la mayoría de las compañías de cohetes antes de su primer lanzamiento, Relativity vende a sus clientes los datos de sus pruebas con el equipo ya construido. Ellis detalla: "Al final, es cuestión de confianza y de tener fe en que vamos a realizarlo. Pero sí, es un salto de fe bastante grande. Y por supuesto, el proceso para conseguirlo será largo".

Evidentemente algunos clientes están dispuestos a dar ese salto. Relativity ya ha anunciado públicamente a sus tres clientes con lanzamientos programados para 2021 y 2022: la compañía canadiense de comunicaciones Telesat, la empresa estadounidense Spaceflight (que ayuda a coordinar las transferencias de satélites en lanzamientos más grandes) y mu Space de Tailandia. Noone afirma que cuando Relativity demuestre en 2020 que puede lanzar con éxito, aumentará su cantidad de lanzamientos anuales a entre 12 y 24.

Este tipo de plazos tan intensos son habituales en esta 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, solicitaron fondos iniciales por correo electrónico al inversor Mark Cuban. El mensaje tenía el siguiente asunto "El espacio es atractivo: impresión 3D de un cohete entero". Cuban, que dirige la mayoría de sus negocios por correo electrónico, respondió cinco minutos después afirmando que quería invertir 450.000 euros. Dos meses más tarde lo hizo. Según Cuban, no fue solo el elemento de fabricación aditiva lo que llamó su atención. El inversor afirma: "La idea parecía única. Ojalá se me hubiera ocurrido eso a mí. Tenían experiencia y eran de aquí".

Desde esa inyección de fondos, Relativity no ha hecho más que pisar el acelerador. El año pasado paso de 14 trabajadores a más de 80. El equipo ahora cuenta con uno de los primeros empleados de SpaceX y exvicepresidente de lanzamientos tanto para SpaceX como para Virgin Orbit, Tim Buzza, y con el empleado de 12 años de SpaceX que fue director general de Ingeniería para la cápsula Dragon de esa compañía, David Giger.

Los humanos todavía están en el círculo con las impresoras Stargate de Relativity, por ahora, de todos modos.

Foto: De momento, los trabajadores todavía están involucrados en las impresoras Stargate de Relativity.

"No quiero aguarle la fiesta a Tim. Le deseo todo lo mejor, pero desde una perspectiva de ingeniería, no tiene ningún sentido".

A Ellis, responsable de contratar y reunir capital, parece que no le cuesta nada convencer a gente de todos los niveles. Le han invitado a participar en el Grupo Asesor del Consejo Nacional del Espacio de la Casa Blanca, y la compañía no deja de recibir fondos y contratos. La empresa ya ha cerrado una ronda de financiación de serie B de 31,2 millones de euros, consiguió un acuerdo con la NASA para probar sus motores en el Centro Espacial Stennis (la misma instalación donde finalmente estará su fábrica autónoma), y obtuvo el permiso para lanzar en uno de los sitios de lanzamiento más competitivos del mundo: el Cabo Cañaveral de Florida (EE. UU.).

Este último logro, anunciado en enero, hará que el cohete Terran 1 se lance desde el lugar de lanzamiento del Launch Complex 16, donde anteriormente ocurrían los lanzamientos de los cohetes Titan, del programa Apolo y del programa Gemini. Este tipo de éxitos han introducido el nombre de Relativity en conversaciones sobre compañías como SpaceX, Blue Origin y United Launch Alliance, que anteriormente eran las únicas tres empresas 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?

Foto: Imprimir un cohete significa hacer secciones de prueba, cortarlas en pedazos y probar un poco más. ¿Hemos dicho pruebas? Créditos: Damon Cesarez

El despegue de la impresión

Relativity no es la única empresa que espera que la impresión 3D llegue a la élite del vuelo espacial. Distintas start-ups como Virgin Orbit, Firefly y Electron compiten para demostrar que, igual que Rocket Lab, tienen lo que hace falta para lanzar pequeños satélites al espacio. Incluso compañías consolidadas como Aerojet Rocketdyne intentan demostrar que la impresión 3D está a la par, o es incluso mejor, que las tradicionales técnicas de fabricación.

Pero nadie lo está haciendo tan deprisa y con tanto ahínco como Relativity. Aerojet fabrica motores para encargos gubernamentales y cohetes para personas como el Sistema de lanzamiento espacial de la NASA, que tienen que ser más consistentes y confiables. La compañía asegura que más del 60 % de su I+D para impresión 3D se ha destinado a crear una base de datos con las propiedades químicas y estructurales de diferentes materiales. "Otros pueden saltarse ese paso, y tienen derecho a hacerlo si su postura es la de aceptar riesgos", opina el director general de programas avanzados de Aerojet, Jeff Haynes.

En cambio, en Relativity, Noone afirma: "Si ponemos un motor totalmente impreso en el banco de pruebas, lo lanzamos con éxito y luego lo mantenemos en el vuelo, eso es un éxito para nosotros. Se podrían escribir cientos de páginas de especificaciones que indicen cómo llegar hasta allí y cómo fabricar, pero tenemos nuestras formas de hacerlo. No me gustaría obsesionarme creando especificaciones en lugar de simplemente probar algo y demostrar que funciona".

Esa mentalidad de "moverse rápido aunque se rompa" provocaría muchas noches de insomnio para la mayoría de los diseñadores de cohetes. Virgin Orbit, una empresa rival de Relativity, incluyó partes fabricadas con impresión 3D en su primer cohete, LauncherOne, pero la compañía no quiere depender tanto de esta tecnología. "El motor de LauncherOne utiliza métodos de fabricación muy seguros que la NASA lleva probando desde las décadas de 1950 y 1960, porque la prioridad número uno para los vehículos de primer lanzamiento es la seguridad", destaca el director de Fabricación Avanzada de Virgin Orbit, Kevin Zagorski.

Las otras compañías que decidieron usar impresión 3D van desde Blue Origin de Jeff Bezos, donde Ellis participó en la compra de la primera impresora 3D de metal durante uno de sus tres períodos de prácticas allí, hasta Launcher, una pequeña start-up que afirmó haber producido el mayor motor de cohete impreso en 3D del mundo. Los pesos pesados como SpaceX, NASA, Rocket Lab, United Launch Alliance y ArianeGroup también han introducido la impresión en 3D.

Las razones que la mayoría de estas empresas dan para justificar el uso de esta técnica son dos: permite construir algo con menos piezas y ajustar los diseños más rápidamente. Al principio, Beck, de Rocket Lab, recuerda que la fabricación aditiva tuvo una mala reputación porque no se utilizaba de manera efectiva. El responsable recuerda: "Alguien cogía un componente fabricado por sustracción [es decir, de modo mecanizado] e intentaba imprimirlo en 3D. Resultaba más caro y más lento. Pero como en cualquier nueva tecnología, se trata de diseñar para el proceso. Las partes impresas en 3D realmente sobresalen si existe una complejidad muy alta y combina muchas piezas en una sola".

Por su parte, Relativity se jacta de que Terran 1 tendrá tan solo una centésima parte de un cohete estándar. Su motor, Aeon 1, solo se compone de tres piezas unidas.

No obstante, no se sabe qué parte de sus afirmaciones son más bien puro marketing. Anunciar que se ha conseguido la primera fase, es tentador, especialmente para las pequeñas start-ups. Relativity, por ejemplo, afirma haber construido la mayor impresora 3D de metal, al igual que Sciaky y Titomic, dos compañías de hardware industrial ajenas al negocio espacial. Beck surbaya: "Todo el mundo intenta tener un punto de diferenciación y trata de ganar algunos titulares. Si alguien quiere hablar algo sobre la impresión 3D, de acuerdo, pero resulta divertido."

Incluso aunque la impresión en 3D de un cohete completo no resulte práctica, el jefe de ingeniería astronáutica de la Universidad del Sur de California (USC, en EE. UU.), Dan Erwin, afirma: "Estoy convencido de que, en cualquier caso, creará spin-offs útiles". Erwin dirigió el laboratorio de cohetes de la USC cuando Ellis y Noone estudiaron allí pero no ha trabajado con ellos desde entonces. El responsable añade: "Tengo la sensación de que se trata de un caso de: 'Si lo construyes, vendrán'".

Independientemente de si Relativity lanza su cohete el próximo año o no, está obligando a una industria que se suele mover lentamente a analizar más de cerca, y quizás aplicar, una tecnología que se utiliza fuera del vuelo espacial. El resultado final podría ser una nueva generación de impresoras. O podría ser el cohete con destino a Marte que se nos ha prometido. Ellis concluye: "La vida es demasiado corta como para esperar que el futuro suceda más rápido. Tenemos que crearlo".

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