NASA lässt Künstliche Intelligenz Raumschiff-Komponenten für 3D-Drucker entwerfen

Raumfahrzeuge und Missionsausrüstung, die von einer künstlichen Intelligenz entworfen wurden, sehen vielleicht aus wie Knochen, die eine außerirdische Spezies zurückgelassen hat, aber sie wiegen weniger, halten höheren strukturellen Belastungen stand und benötigen nur einen Bruchteil der Zeit, die für die Entwicklung von Menschen entworfener Teile erforderlich ist.

"Sie sehen ein wenig seltsam und fremdartig aus", sagt der Forschungsingenieur Ryan McClelland, "aber wenn man sie in Aktion sieht, ergeben sie wirklich Sinn.

McClelland hat am Goddard Space Flight Center der NASA in Greenbelt, Maryland, Pionierarbeit bei der Entwicklung spezieller, einzigartiger Teile mit kommerziell erhältlicher KI-Software geleistet und Hardware hergestellt, die er als "evolvierte Strukturen" bezeichnet.

Um diese Teile zu entwerfen, geht ein CAD-Spezialist von den Anforderungen der Mission aus und zeichnet die Flächen, an denen das Teil mit dem Instrument oder dem Raumfahrzeug verbunden wird, sowie alle Schrauben und Anschlüsse für die Elektronik und andere Hardware. Möglicherweise muss der Konstrukteur auch einen Pfad ausblenden, um zu verhindern, dass der Algorithmus einen Laserstrahl oder einen optischen Sensor blockiert. Schließlich kann es bei komplexeren Konstruktionen erforderlich sein, dass die Hände des Technikers für die Montage und Ausrichtung frei bleiben.

Sobald alle Sperrflächen definiert sind, fügt die KI die Punkte zusammen, so McClelland, und erstellt komplexe Konstruktionen in nur ein bis zwei Stunden. "Die Algorithmen brauchen ein menschliches Auge", sagt er. "Die menschliche Intuition weiß, was richtig aussieht, aber wenn man den Algorithmus sich selbst überlässt, kann es passieren, dass die Strukturen zu dünn sind.

Die entwickelten Strukturen sparen im Vergleich zu herkömmlichen Bauteilen bis zu zwei Drittel an Gewicht ein. "Es ist möglich, in nur einer Woche einen Prototyp zu entwerfen, zu analysieren und herzustellen. , sagte McClelland.

„Im Vergleich zu unserer üblichen Arbeitsweise kann das sehr schnell gehen.“

Laut McClelland werden die Teile auch mit Validierungssoftware und -verfahren nach NASA-Standard analysiert, um potenzielle Fehlerquellen zu ermitteln. „Wir haben festgestellt, dass dies das Risiko tatsächlich verringert. Nach diesen Belastungsanalysen stellen wir fest, dass die vom Algorithmus generierten Teile nicht die Belastungskonzentrationen aufweisen, die man bei menschlichen Konstruktionen findet. Die Belastungsfaktoren sind fast zehnmal niedriger als bei Teilen, die von einem erfahrenen Menschen hergestellt werden.“

Die von McClelland entwickelten Komponenten wurden von NASA-Missionen in verschiedenen Design- und Konstruktionsphasen übernommen, darunter astrophysikalische Ballonobservatorien, Erdatmosphärenscanner, Planeteninstrumente, Weltraumwetterbeobachtungsgeräte, Weltraumteleskope und sogar die Mars Sample Return Mission.

Der Goddard-Physiker Peter Nagler nutzt die „evolutionären Strukturen“ bei der Mission EXoplanet Climate Infrared TElescope (EXCITE), einem ballongetragenen Teleskop, das entwickelt wurde, um heiße Exoplaneten vom Typ Jupiter zu untersuchen, die andere Sterne umkreisen. EXCITE, das sich derzeit im Bau und in der Testphase befindet, wird einen Spektrografen im nahen Infrarotbereich einsetzen, um die Umlaufbahn jedes Planeten um seinen Mutterstern kontinuierlich zu beobachten.

"Wir haben einige Bereiche mit sehr kniffligen Konstruktionsanforderungen", sagt Nagler. "Es gab Kombinationen aus spezifischen Schnittstellen und anspruchsvollen Belastungsanforderungen, die für unsere Konstrukteure eine Herausforderung darstellten."

McClelland entwarf ein Titangerüst für die Rückseite des EXCITE-Teleskops, wo der in einer Kryokammer aus Aluminium untergebrachte IR-Empfänger mit einer Kohlefaserplatte verbunden ist, die den Hauptspiegel trägt. „Diese Materialien haben sehr unterschiedliche thermische Ausdehnungseigenschaften“, erklärt Nagler. „Wir mussten eine Schnittstelle zwischen ihnen schaffen, die beide Materialien nicht belastet.“

Ideale Konstruktionslösung für kundenspezifische Teile der NASA

KI-gestütztes Design ist ein wachsender Industriezweig, in dem alles von Ausrüstungsteilen bis hin zu kompletten Auto- und Motorradchassis von Computern entworfen wird.

"Wenn man ein Motorrad- oder Autohersteller ist", sagt McClelland, "dann gibt es vielleicht nur ein Chassis-Design, das man herstellt, und davon produziert man eine ganze Menge. Hier bei der NASA stellen wir jedes Jahr Tausende maßgefertigter Teile her.

Der 3D-Druck mit Harzen und Metallen werde die Zukunft des KI-gestützten Designs eröffnen und größere Komponenten wie strukturelle Fachwerke, komplexe Systeme, die sich bewegen oder entfalten, oder fortschrittliche Präzisionsoptiken ermöglichen. "Diese Techniken könnten es der NASA und kommerziellen Partnern ermöglichen, größere Komponenten im Orbit zu bauen, die sonst nicht in eine Standard-Trägerrakete passen würden, und sie könnten sogar den Bau auf dem Mond oder Mars erleichtern, indem sie Materialien verwenden, die dort vorkommen.

Die Kombination von künstlicher Intelligenz, 3D-Druck oder additiver Fertigung mit der Nutzung von In-situ-Ressourcen wird die ISAM-Fähigkeiten (In-Space Servicing, Assembly, and Manufacturing) verbessern. ISAM ist eine der Hauptprioritäten für die Entwicklung der US-Weltrauminfrastruktur, wie in der nationalen ISAM-Strategie und dem ISAM-Implementierungsplan des Büros für Wissenschafts- und Technologiepolitik der US-Regierung festgelegt.