Il 2020 segna l'inizio di un nuovo decennio di esplorazione spaziale e innovazione, in cui le leghe contenenti nichel svolgono un ruolo importante in molte applicazioni, tra cui la produzione di razzi, ruote e catalizzatori.
SpaceX, una società dedicata alla produzione di apparecchiature aerospaziali e al trasporto spaziale ripetibile, utilizza un acciaio inossidabile 304 (S30400) contenente nichel per produrre astronavi e razzi super pesanti.
Il costo è inferiore rispetto alla fibra di carbonio, che costa oltre 60 volte di più al chilogrammo. È anche molto più resistente al calore della fibra di carbonio o di altri metalli, quindi richiede molto meno isolamento, o forse addirittura.
Nel frattempo, la NASA sta esplorando un'altra potenziale applicazione per materiali contenenti nichel nelle ruote delle sonde. Le ruote in gomma non sono pratiche sulla Luna o su Marte, quindi le ruote originali del rover lunare Apollo erano realizzate in acciaio per molle, ma le ruote in acciaio per molle su ruote grandi e pesanti progettate per l'uso su Marte si deformerebbero. Per risolvere questo problema, la NASA sta sviluppando uno pneumatico in rete metallica realizzato in lega di nichel-titanio, che ha proprietà di memoria di forma e può sopportare una deformazione 30 volte superiore a quella di una ruota in acciaio per molle.
Dotata di un motore a razzo Raptor, l'astronave SpaceX è una delle prime astronavi alimentate a metano liquido e ossigeno liquido ed è progettata per durare 1,000 utilizzi. Il metano è stato scelto per produrre carburante per missili su Marte per il viaggio di ritorno. Il metano può essere prodotto utilizzando anidride carbonica e idrogeno attraverso la reazione di Chabatier, in cui l'idrogeno reagisce con l'anidride carbonica attraverso un catalizzatore ad alta temperatura (la temperatura ottimale è 300-400 gradi) e ad alta pressione per generare metano e acqua. Uno di questi catalizzatori che può essere utilizzato è il nichel.
L'atmosfera marziana è composta per il 95% da anidride carbonica e la NASA ha confermato la presenza di acqua su Marte, le materie prime necessarie per generare metano e ossigeno per i propulsori di razzi e ossigeno per la respirazione degli astronauti. I materiali contenenti nichel sono richiesti anche dalla temperatura ambiente più bassa del pianeta rosso e dalle basse temperature richieste per generare metano liquefatto, idrogeno e ossigeno.
Lega nichel-rame K-500 (N05500)ha un'ottima duttilità alle basse temperature ed è resistente alla fiamma in ossigeno puro. Questo lo rende la scelta preferita per una pompa booster di ossigeno che fornisce ossigeno ai motori a razzo.
Con la sua elevata resistenza e tenacità,Lega 718 (N07718)è una lega di nichel-cromo induribile per precipitazione utilizzata nei turboreattori degli aerei, nei motori a razzo e nei recipienti a pressione, e può gestire basse temperature fino a -250 gradi Liquefare il gas e ottenere una spinta. Ma le proprietà della lega 718 la rendono più difficile da lavorare e formare rispetto ad altri materiali. I processi di fusione a cera persa possono essere problematici perché la lega 718 è soggetta a porosità, segregazione e granulometria estremamente grossolana, che richiedono successive fasi di lavorazione.
Qual'è la soluzione? La stampa 3D può utilizzare in modo più efficiente le leghe a base di nichel come le leghe 718 in applicazioni ad alte prestazioni con progetti complessi.
La stampa 3D semplifica la lavorazione della lega 718 e conserva bene le proprietà del materiale. Il processo evita saldature e lavorazioni meccaniche, riducendo così notevolmente lo spreco di materiale. I vantaggi di questo metodo di fabbricazione sono stati dimostrati stampando in 3D un prototipo di un motore a razzo in lega 718. Il prototipo è stato progettato interamente attraverso l'intelligenza artificiale e sviluppato da Hyperganic Software in Germania.
A differenza dei motori a razzo convenzionali, che consistono in componenti progettati e assemblati individualmente, il prototipo stampato in 3D è un insieme continuo. Contiene la camera di combustione in cui bruciano combustibile e ossidante e canali superficiali che fanno circolare il carburante per raffreddare la camera di combustione ed evitare il surriscaldamento. Il metodo di costruzione monolitico garantisce il peso più leggero e il raffreddamento più efficiente per le migliori prestazioni di un determinato razzo. Anche il progetto del razzo Vulcan II dell'Università della California, a San Diego, utilizza la stampa 3D per realizzare il motore a razzo in lega Ignus II 718. Per ogni nuova applicazione futura, il nichel aiuterà l'esplorazione dello spazio ad andare oltre.
