Năm 2020 đánh dấu sự khởi đầu của một thập kỷ mới về khám phá và đổi mới không gian, trong đó các hợp kim chứa niken đóng vai trò quan trọng trong nhiều ứng dụng, bao gồm sản xuất tên lửa, bánh xe và chất xúc tác.
SpaceX, một công ty chuyên sản xuất thiết bị hàng không vũ trụ và vận chuyển trong không gian có thể lặp lại, sử dụng thép không gỉ 304 (S30400) có chứa niken để sản xuất Tàu vũ trụ và tên lửa siêu nặng.
Chi phí thấp hơn so với sợi carbon, đắt hơn 60 lần cho mỗi kg. Nó cũng có khả năng chịu nhiệt tốt hơn nhiều so với sợi carbon hoặc các kim loại khác, do đó, nó cần ít vật liệu cách nhiệt hơn, hoặc thậm chí có thể.
Trong khi đó, NASA đang khám phá một ứng dụng tiềm năng khác cho vật liệu chứa niken trong bánh xe thăm dò. Bánh xe cao su không thực tế trên mặt trăng hoặc sao Hỏa, vì vậy bánh xe của tàu thám hiểm mặt trăng Apollo ban đầu được làm bằng thép lò xo, nhưng bánh xe thép lò xo trên bánh xe lớn và nặng được thiết kế để sử dụng trên sao Hỏa sẽ biến dạng. Để giải quyết vấn đề này, NASA đang phát triển một loại lốp lưới kim loại làm bằng hợp kim niken-titan, có đặc tính nhớ hình dạng và có thể chịu được biến dạng gấp 30 lần so với bánh xe thép lò xo.
Được trang bị động cơ tên lửa Raptor, Tàu vũ trụ SpaceX là một trong những Tàu vũ trụ đầu tiên chạy bằng khí metan lỏng và oxy lỏng và được thiết kế để sử dụng trong 1000. Khí mê-tan được chọn để làm nhiên liệu tên lửa trên sao Hỏa cho hành trình trở về. Khí mê-tan có thể được tạo ra bằng cách sử dụng carbon dioxide và hydro thông qua phản ứng Chabatier, trong đó hydro phản ứng với carbon dioxide thông qua chất xúc tác ở nhiệt độ cao (nhiệt độ tối ưu là 300-400 độ) và áp suất cao để tạo ra khí mê-tan và nước. Một chất xúc tác như vậy có thể được sử dụng là niken.
Bầu khí quyển của sao Hỏa có 95% là carbon dioxide và NASA đã xác nhận sự hiện diện của nước trên sao Hỏa, nguyên liệu thô cần thiết để tạo ra khí mê-tan và oxy cho tên lửa đẩy và oxy cho các phi hành gia thở. Các vật liệu chứa niken cũng được yêu cầu bởi nhiệt độ môi trường thấp hơn của hành tinh đỏ và nhiệt độ thấp cần thiết để tạo ra khí mê-tan, hydro và oxy hóa lỏng.
Hợp kim niken-đồng K-500 (N05500)có độ dẻo tuyệt vời ở nhiệt độ thấp và có khả năng chống cháy trong oxy tinh khiết. Điều này làm cho nó trở thành lựa chọn ưu tiên cho máy bơm tăng áp cung cấp oxy cho động cơ tên lửa.
Với sức mạnh và độ dẻo dai cao,Hợp kim 718 (N07718)là một hợp kim niken-crom đông cứng kết tủa được sử dụng trong động cơ phản lực của máy bay, động cơ tên lửa và bình chịu áp lực, đồng thời có thể xử lý nhiệt độ thấp xuống đến -250 độ Khí hóa lỏng và đạt được mức tăng. Nhưng các đặc tính của hợp kim 718 làm cho nó khó gia công và tạo hình hơn các vật liệu khác. Các quy trình đúc đầu tư có thể gặp vấn đề vì Hợp kim 718 dễ bị xốp, phân tách và kích thước hạt cực kỳ thô, đòi hỏi các bước xử lý tiếp theo.
Giải pháp là gì? In 3D có thể sử dụng hiệu quả hơn các hợp kim dựa trên niken như hợp kim 718 trong các ứng dụng hiệu suất cao với thiết kế phức tạp.
In 3D giúp xử lý hợp kim 718 dễ dàng hơn và giữ được các đặc tính của vật liệu tốt. Quá trình tránh hàn và gia công, do đó giảm đáng kể chất thải vật liệu. Những lợi ích của phương pháp chế tạo này đã được thể hiện bằng cách in 3D một nguyên mẫu của động cơ tên lửa hợp kim 718. Nguyên mẫu được thiết kế hoàn toàn thông qua trí tuệ nhân tạo và được phát triển bởi Hyperganic Software ở Đức.
Không giống như các động cơ tên lửa thông thường, bao gồm các bộ phận được thiết kế và lắp ráp riêng lẻ, nguyên mẫu in 3D là một tổng thể liên tục. Nó chứa buồng đốt, nơi đốt cháy nhiên liệu và chất oxy hóa, và các kênh bề mặt luân chuyển nhiên liệu để làm mát buồng đốt và tránh quá nhiệt. Phương pháp xây dựng nguyên khối đảm bảo trọng lượng nhẹ nhất và khả năng làm mát hiệu quả nhất để mang lại hiệu suất tốt nhất cho một tên lửa nhất định. Dự án tên lửa Vulcan II tại Đại học California, San Diego, cũng sử dụng công nghệ in 3D để chế tạo động cơ tên lửa hợp kim Ignus II 718. Đối với mọi ứng dụng mới trong tương lai, niken sẽ giúp việc khám phá không gian tiến xa hơn.
