Die US-Raumfahrtbehörde NASA hat angekündigt, zwei neue Institute zu gründen. Es handelt sich dabei um sogenannte STRIs, Space Technology Research Institute, die unter der Leitung von US-amerikanischen Universitäten multidisziplinäre Forschungs- und Technologieentwicklungsprogramme erstellen sollen. Durch die Zusammenführung von Wissenschaft, Ingenieurwesen und anderen Disziplinen aus Universitäten, Industrie und gemeinnützigen Organisationen zielen die Institute darauf ab, die zukünftigen Möglichkeiten der Luft- und Raumfahrt durch Investitionen in Technologien im Frühstadium zu erweitern. Dies sei laut einer Aussendung der NASA von entscheidender Bedeutung für die eigene Zukunft.
Das eine Forschungsinstitut hat die Quantensensorik im Fokus. Das andere soll daran arbeiten, das Verständnis bzgl. einer schnelleren Zertifizierung von Metallteilen zu verbessern, die mit fortschrittlichen Fertigungstechniken hergestellt wurden. Die University of Texas at Austin wird das Quantum Pathways Institute leiten, das sich auf die Weiterentwicklung der Quantensensorik für erdwissenschaftliche Anwendungen der nächsten Generation konzentriert.
Präzisere Daten durch Quantensensorik
Quantensensoren nutzen Prinzipien der Quantenphysik, um potenziell präzisere Daten zu sammeln und bessere wissenschaftliche Messungen zu ermöglichen. Diese Sensoren könnten besonders für Satelliten im Erd-Orbit nützlich sein, um Daten zu Massenänderungen zu sammeln, die Wissenschaftlern Aufschluss darüber geben können, wie sich Eis, Ozeane und Wasserläufe an Land bewegen bzw. verändern. Obwohl sich die grundlegende Physik und Technologie für Quantensensoren im Konzept bewährt haben, ist weitere Forschung erforderlich, um Quantensensoren mit der Präzision zu entwickeln, die für die wissenschaftlichen Anforderungen der nächsten Generation während Raumfahrtmissionen erforderlich sind.
„Quantensensorik-Methoden haben sich als sehr vielversprechend in den Bereichen Computer, Kommunikation und jetzt auch für erdwissenschaftliche Fernerkundungsanwendungen erwiesen“, erläutert Dr. Srinivas Bettadpur, Hauptforscher des Instituts und Professor für Luft- und Raumfahrttechnik sowie technische Mechanik an der University of Texas at Austin. „Unser Ziel ist, diese Technologie voranzutreiben und sie so schnell wie möglich für den Weltraum bereit zu machen.“
Digitaler Zwilling für 3D-Metallteile
Das zweite Institut beschäftigt sich mit dem Themenbereich der modellbasierten Qualifizierung und Zertifizierung der additiven Fertigung. Die Carnegie Mellon University in Pittsburgh wird das Institute for Model-based Qualification & Certification of Additive Manufacturing (IMQCAM) leiten, das darauf hinarbeitet, Computermodelle von 3D-gedruckten Metallteilen zu verbessern und für die Raumfahrt nützlich zu machen. Das Institut wird gemeinsam mit der Johns Hopkins University in Baltimore geleitet.
3D-gedruckte Metallteile werden aus pulverisierten Metallen hergestellt, die auf bestimmte Art geschmolzen und zu Teilen geformt werden. Solche Teile könnten etwa für Raketentriebwerke Verwendung finden. Dies böte mehr Flexibilität, um neue Teile zu erstellen, wenn sich das Design ändert. Auch im Hinblick auf einen menschlichen Außenposten auf dem Mond wäre dies sinnvoll, denn das Mitbringen vorgefertigter Teile ist teuer und umständlich. Eine effiziente Zertifizierung und in der Folge Verwendung solcher Teile erfordert jedoch exakte Vorhersagen ihrer Eigenschaften.
„Die innere Struktur dieser Art von Teilen unterscheidet sich stark von derjenigen, die mit anderen Methoden hergestellt werden“, weiß Tony Rollett, leitender Forscher des Instituts und US-Steel-Professor für Metallurgie und Materialwissenschaften an der Carnegie Mellon University. „Das Institut wird sich darauf konzentrieren, die Modelle zu erstellen, die die NASA und andere Player in der Industrie benötigen, um diese Teile täglich zu verwenden.“
Detaillierte Computermodelle, die als digitale Zwillinge bekannt sind, ermöglichen es den Ingenieuren, die Fähigkeiten und Grenzen der Teile zu verstehen – beispielsweise, wie viel Belastung sie aushalten können, bevor sie brechen. Solche Modelle liefern die Vorhersagbarkeit von Teileeigenschaften basierend auf ihrer Verarbeitung, was der Schlüssel für die Zertifizierung ist. Das Institut wird digitale Zwillinge für 3D-gedruckte Teile aus Raumfahrtmaterialien entwickeln sowie neue Materialien evaluieren und modellieren.
Somnath Ghosh, Michael G. Callas-Professor für Bau- und Systemtechnik an der Whiting School of Engineering der Johns Hopkins University, wird als Co-Principal Investigator fungieren und das Institut gemeinsam mit Rollett leiten. Weitere Partner sind die Vanderbilt University, die University of Texas at San Antonio, die University of Virginia, die Case Western Reserve University, das Applied Physics Laboratory der Johns Hopkins University, das Southwest Research Institute und Pratt & Whitney.
Finanziert werden beide Institute vom Space Technology Research Grants-Programm des Space Technology Mission Directorate (STMD).