Rok 2020 to początek nowej dekady eksploracji kosmosu i innowacji, w której stopy zawierające nikiel odgrywają ważną rolę w wielu zastosowaniach, w tym w produkcji rakiet, kół i katalizatorów.
SpaceX, firma zajmująca się produkcją sprzętu lotniczego i powtarzalnym transportem kosmicznym, wykorzystuje stal nierdzewną 304 (S30400) zawierającą nikiel do produkcji statków kosmicznych i superciężkich rakiet.
Koszt jest niższy w porównaniu z włóknem węglowym, które kosztuje ponad 60 razy więcej za kilogram. Jest również znacznie bardziej odporny na ciepło niż włókno węglowe lub inne metale, więc wymaga znacznie mniej, a być może nawet, izolacji.
W międzyczasie NASA bada inne potencjalne zastosowanie materiałów zawierających nikiel w kołach sond. Gumowe koła są niepraktyczne na Księżycu lub Marsie, więc oryginalne koła łazika księżycowego Apollo były wykonane ze stali sprężynowej, ale koła ze stali sprężynowej na dużych i ciężkich kołach zaprojektowanych do użytku na Marsie odkształcałyby się. Aby rozwiązać ten problem, NASA opracowuje oponę z siatki metalowej wykonaną ze stopu niklowo-tytanowego, która ma właściwości pamięci kształtu i może wytrzymać 30-krotnie większe odkształcenie niż koło ze stali sprężynowej.
Wyposażony w silnik rakietowy Raptor, SpaceX Starship jest jednym z pierwszych statków kosmicznych napędzanych ciekłym metanem i ciekłym tlenem i został zaprojektowany na 1,000 użyć. Wybrano metan do produkcji paliwa rakietowego na Marsie na podróż powrotną. Metan można wytwarzać przy użyciu dwutlenku węgla i wodoru w reakcji Chabatiera, w której wodór reaguje z dwutlenkiem węgla za pośrednictwem katalizatora w wysokiej temperaturze (optymalna temperatura to 300-400 stopni) i wysokim ciśnieniu w celu wytworzenia metanu i wody. Jednym z takich katalizatorów, który można zastosować, jest nikiel.
Atmosfera Marsa składa się w 95 procentach z dwutlenku węgla, a NASA potwierdziła obecność wody na Marsie, surowców potrzebnych do wytwarzania metanu i tlenu do silników rakietowych oraz tlenu potrzebnego astronautom do oddychania. Materiały zawierające nikiel są również wymagane ze względu na niższą temperaturę otoczenia czerwonej planety i niskie temperatury wymagane do wytworzenia skroplonego metanu, wodoru i tlenu.
Stop niklowo-miedziowy K-500 (N05500)ma doskonałą plastyczność w niskich temperaturach i jest ognioodporny w czystym tlenie. To sprawia, że jest to preferowany wybór dla pompy wspomagającej tlen, która dostarcza tlen do silników rakietowych.
Dzięki dużej wytrzymałości i twardości,Stop 718 (N07718)to utwardzalny wydzieleniowo stop niklowo-chromowy, stosowany w samolotowych silnikach turboodrzutowych, silnikach rakietowych i zbiornikach ciśnieniowych, który wytrzymuje niskie temperatury do -250 stopni. Skraplanie gazu i uzyskanie doładowania. Ale właściwości stopu 718 sprawiają, że jest on trudniejszy w obróbce i formowaniu niż inne materiały. Procesy odlewania precyzyjnego mogą być problematyczne, ponieważ stop 718 jest podatny na porowatość, segregację i bardzo duże ziarno, co wymaga kolejnych etapów przetwarzania.
Jakie jest rozwiązanie? Druk 3D może wydajniej wykorzystywać stopy na bazie niklu, takie jak stopy 718, w zastosowaniach o wysokiej wydajności i złożonych projektach.
Druk 3D ułatwia obróbkę stopu 718 i dobrze zachowuje właściwości materiału. W procesie unika się spawania i obróbki skrawaniem, co znacznie zmniejsza straty materiału. Korzyści płynące z tej metody wytwarzania zostały zademonstrowane poprzez wydrukowanie w 3D prototypu silnika rakietowego ze stopu 718. Prototyp został w całości zaprojektowany przez sztuczną inteligencję i opracowany przez Hyperganic Software w Niemczech.
W przeciwieństwie do konwencjonalnych silników rakietowych, które składają się z indywidualnie zaprojektowanych i zmontowanych komponentów, prototyp wydrukowany w 3D jest ciągłą całością. Zawiera komorę spalania, w której spala się paliwo i utleniacz, oraz kanały powierzchniowe, które krążą w paliwie, aby schłodzić komorę spalania i uniknąć przegrzania. Monolityczna metoda budowy gwarantuje najniższą wagę i najbardziej wydajne chłodzenie dla najlepszych osiągów danej rakiety. Projekt rakiety Vulcan II na Uniwersytecie Kalifornijskim w San Diego również wykorzystuje druk 3D do wykonania silnika rakietowego ze stopu Ignus II 718. W przypadku każdego nowego zastosowania w przyszłości nikiel pomoże w eksploracji kosmosu.
