2025. September 24.

Az űrutazás jövőjét is meghatározhatják Kapu Tibor kisérletei a világűrben – a műanyagos vonatkozású 3D projekt kiemelten szerepelt a vizsgálatokban

Kapu Tibor küldetése a HUNOR (Hungarian to Orbit) program keretében messze túlmutatott a szimbolikus jelentőségén. A HUNOR űrprogramhoz kapcsolódó magyar kísérleteket hazai egyetemek, kutatóintézetek és vállalkozások dolgozták ki. Űrhajósunknak a Nemzetközi Űrállomás fedélzetén végzett kísérletei az anyagtudomány, a biotechnológia és a gyógyszerkutatás területén hozhatnak áttörést. A súlytalanság egyedülálló környezetében olyan folyamatokat lehet vizsgálni, amelyek a földi laboratóriumokban lehetetlenek. Feladata volt, hogy adatokat gyűjtsön, melyek segítenek a tudósoknak jobban megérteni a különböző anyagok és élőlények viselkedését a világűr extrém körülményei között.

Az Ax-4 küldetés kutatási programja az Egyesült Államok, Lengyelország, India és Magyarország űrhajósaival 31 ország mintegy 60 tudományos vizsgálatát és projektjét foglalta magába. A misszió történelmet is írt, mivel még sosem végeztek ennyi kísérletet az Axiom Space küldetései során. Kapu Tibor a kéthetes űrutazás alatt 25 tudományos projektet és ismeretterjesztő programot bonyolított le a HUNOR program keretében, emellett részt vett a nemzetközi partnerek egyes kutatásaiban is.

MAGYAR KÍSÉRLETEK AZ ŰRBEN

A fizikai tudományok területéről Kapu Tibor több kísérlet is elvégzett. Elsőként kell említeni a műanyagos vonatkozású 3D Prints projektet, amely a 3D-nyomtatással készült anyagokat hasonlítja össze az ISS-en járt és a Földön maradt minták alapján, segítve az űrbéli gyártás fejlesztését. Az alacsony olvadáspontú fémek viselkedésének kutatási eredményeit az új generációs hajtóműrendszerek fejlesztéséhez tudják majd felhasználni. Az M4D nevű kísérlet célja a folyadékok viselkedésének feltérképezése volt mikrofluidikai rendszerekben a súlytalanság körülményei között. A kutatás hosszú távon hozzájárulhat az űrbeli gyógyszerstabilitás vizsgálatához. Az ORBGEO projekt a geolokáció lehetőségeit elemezte az űrből készített felvételek alapján. A DiRoS-B folyadékdinamikai kísérlet egy teniszlabda méretű, forgó vízcsepp felszínén kialakuló nyírási instabilitásokat vizsgált mikrogravitációs környezetben, az eredmények elősegíthetik a gázóriások atmoszférájának jobb megértését.

A technológiai fejlesztések közé sorolható a RANDAM doziméteres kísérlet, amely személyi dózismérő alkalmazásával követte a legénység sugárterhelését. Ennek előzménye a híres magyar Pille dózismérő, amely már 1980-ban is ott volt az űrben Farkas Bertalannal. Az IMU DRS projekt okostelefonba épített inerciális szenzorok viselkedését vizsgálta mikrogravitációban a földi mérésekkel összevetve, a kutatás hozzájárulhat a jövő navigációs rendszereinek fejlesztéséhez. Az űrruhafejlesztési kísérlet a különböző gravitációs környezetekben történő hőleadás mechanizmusát tanulmányozta. A projekt célja egy olyan rendszer tesztelése volt, amely megmutatja, hogyan befolyásolja a ruházat a hőátadást különböző gravitációs körülmények között, például mikrogravitációban, ahol a hőáramlás módosul. Az eredmények segíthetnek a jövő űrruháinak tervezésében, de a technológia a Földön is hasznos lehet, többek között szélsőséges környezetekre szánt ruházat fejlesztésében.

A biológiai és élettudományi kísérletek során a DNS-javítás vizsgálatban az ecetmuslicák segítségével elemezték a sugárzás által okozott DNS-károsodást, a VITAPRIC kutatásban pedig a növényi csírázást és levélfejlődést figyelték meg, amely fontos lépés lehet az űrbeli élelmiszertermelés megvalósításához.

A humán egészségkutatással kapcsolatos vizsgálatokban az ENPERCHAR kísérlet a mikrogravitáció hatását vizsgálta az ember térbeli tájékozódására és motoros képességeire vonatkozóan. A SINGREAD az emberi hang és hangmintázat változásait tanulmányozta az űrbeli környezet hatására. A TESH projekt a szívés érrendszer, a mozgásszervi endszer, valamint a csont- és izomrendszer változásait követte nyomon. Az END-SANS egy innovatív, nanoszálas szemtapasz gyógyszerformula alkalmazását vizsgálta nanoszálas technológiával. Az ekvivalencia teszt a vizuális információfeldolgozást és az asszociatív tanulást kutatta. A NeuroMotion VR vizsgálatban virtuális valóság headset segítségével mérték a mikrogravitáció hatását a kognitív és mozgásos funkciókra. A MAGOR projekt a bél-, vizelet- és szájüregi mikrobiom állapotát monitorozta az űrutazás előtt, alatt és után. Az agyi hemodinamikai projekt célja az agyi véráramlás alkalmazkodóképességének feltérképezése volt űrbeli körülmények között.

AZ ŰRREPÜLÉS HATÁSAINAK VIZSGÁLATA 3D-NYOMTATOTT ANYAGOK TULAJDONSÁGAIRA

A HUNOR program Magyarország pozíciójának megerősítését célozza a globális űrkutatásban és az űrágazatban. Ennek a programnak kulcseleme az űrben történő gyártás (In-Space Manufacturing, ISM) és a 3D-nyomtatás technológiájának fejlesztése, amelyek alapvető fontosságúak a jövőbeli hosszútávú űrmissziók megvalósíthatóságához. A kutatást a Pécsi Tudományegyetem PTE-3D–ESEL3D kutatócsoportja vezeti és célja annak átfogó megértése, hogy az egyedi és zord űrbeli körülmények – beleértve a mikrogravitációt, a kozmikus sugárzást, valamint a kilövés és visszatérés során fellépő dinamikus vibrációkat – hogyan befolyásolják ezen fejlett anyagok alapvető szerkezetét, mechanikai integritását és mikrobiológiai tulajdonságait. A végső cél az, hogy azonosítsák és validálják azokat a specifikus 3D-nyomtatott anyagokat, amelyek megbízhatóan felhasználhatók a jövőbeli űrben használt berendezések közvetlenül a Nemzetközi Űrállomáson történő előállítására, ezáltal elősegítve a fenntarthatóbb, helyben gyártott technológiák fejlesztését.

Az űrbeli környezet jelentős kihívásokat támaszt a 3D-nyomtatási anyagokkal szemben, ideértve a folyadékok viselkedésének megváltozását, a rétegképződés egyenetlenségét, az anyagok gyengébb kötését, valamint a sugárzás és a hőmérsékletingadozások okozta degradációt.

Mikrogravitációs környezetben a 3D-nyomtatásban használt folyékony anyagok, mint például a gyanták és az olvadt műanyagok, jelentősen eltérően viselkednek, mint a Földön, ahol a gravitáció befolyásolja áramlásukat és rétegképződésüket. A gravitáció hiányában a felületi feszültség és a viszkozitás válnak domináns tényezőkké. Ez ellenőrizhetetlen terjedéshez és nem egyenletes rétegvastagsághoz vezet, ami megnehezíti az egyenletes nyomtatási minőség elérését. A mikrogravitáció az anyagok rétegek közötti kötését is befolyásolja, ami potenciálisan gyengébb vagy törékenyebb nyomatokat eredményezhet.

Az űrrepülés során mind az eszközök, mind az emberek ki vannak téve magas sugárzási szinteknek. Megfelelő védelem nélkül a műszerek meghibásodhatnak, az űrhajósok pedig súlyos egészségügyi kockázatokkal szembesülhetnek, beleértve a DNS-károsodást is. A hidrogélek sugárzásvédőként nagy mennyiségű vizet képesek felvenni és megtartani, ami hatékony sugárzásgátlóként szolgálhat.

Vákuumkörnyezetben a műanyag alkatrészek degradációjának egyik fő oka a kis molekulatömegű molekulák polimer mátrixból való kilépése, kiáramlása. Ez szerves szennyeződéshez és a tulajdonságok megváltozásához vezet. Mivel a 3D-nyomtatás additív folyamat, apró üregek maradhatnak az anyagban, amelyek csapdába ejthetik a gázokat. Ezek később lassan kiszivároghatnak a vákuumba, ami alkalmatlanná teszi az alkatrész használatát ebben a környezetben. Ez töréshez, repedéshez és esetleges robbanásveszélyhez vezethet, különösen a FDM (Fused Deposition Modeling) technológiával készült termékeknél.

A hőmérsékletingadozások, főleg a gyors ciklusok, jelentősen befolyásolhatják a 3D-nyomtatott kompozitok mechanikai tulajdonságait. A 3D-nyomtatott anyagok hajlítószilárdsága, Vickers keménysége és ütésállósága jelentősen csökkenhet a hőmérséklet ciklusok hatására, mivel a polimer kompozitokban felhalmozódnak a feszültség gradiensek és megnőnek a lokális feszültségek az ismételt felmelegedés és lehűlés során. Ez a belső feszültségek miatt a polimerek csökkent térhálósodásához és a mátrixban fellépő mikrokrakkoláshoz vezethet, ami anyaghibákat és mechanikai tulajdonság romlást okoz.

A 3D-nyomtatott anyagok mikrobiológiai jellemzőinek vizsgálata különösen az orvosi célra alkalmas anyagokra fókuszált. A 3D bioprinting, amely élő mikroorganizmusokat és polimereket mérnöki pontossággal alakít át finom szerkezetű élő anyagokká, hatékony eszközt biztosít a funkcionalitás bővítésére és a rendkívüli teljesítmény elérésére. Ez a technológia lehetővé teszi a mikroorganizmusok és a kémiai komponensek térbeli és időbeli eloszlásának pontos szabályozását. Ennek révén mikrobiálisan immobilizált hidrogél bioreaktorok hozhatók létre, amelyek óriási potenciállal rendelkeznek a fenntartható energiatermelésben és a környezeti remediációban.

Az űrben történő gyártás (ISM) hatókörének kiterjesztése a biológiai alkalmazásokra az űrbeli technológia jelentős fejlődését jelzi, túllépve a hagyományos szerkezeti anyagokon és az élő rendszerekre is kiterjesztve. Ez a fejlődés alapvető fontosságú a hosszútávú emberi küldetésekhez, ahol az űrhajósok egészségének megőrzése és a biológiai folyamatok kezelése kulcsfontosságúvá válik.

Az anyagtudományi kísérletekhez Kapu Tibor különböző mintákat vitt magával az űrbe. Ezek a minták natív polimereket, valamint polimer-szén és polimer-fém kompozitokat tartalmaztak. A kísérletek során ezeket a mintákat összehasonlították a Földön előállított kontrollmintákkal.

A vizsgált tulajdonságok közé tartozott a minták szerkezete, mechanikai tulajdonságai és mikrobiológiai jellemzői. A kísérleti terv átfogó időskálájú elemzést tett lehetővé, ami rendkívül fontos az űrbeli anyagok viselkedésének teljes megértéséhez. A rövid- és hosszútávú expozíció vizsgálata lehetővé teszi a kutatók számára, hogy azonosítsák az azonnali és az idővel kumulálódó degradációs mechanizmusokat. Ez a megközelítés elengedhetetlen a hosszú küldetésekhez szükséges anyagok kiválasztásához és tervezéséhez, ahol az anyagoknak évekig kell ellenállniuk a zord űrbeli környezetnek.

A kísérletek előzetes eredményei közül megemlíthetjük, hogy a sugárzás hatására néhány polimer esetében mérhető degradáció jelentkezett, ami a szakítószilárdság 5-10 százalékos csökkenésével járt. A rétegelt kompozitok irányfüggő tulajdonságai megerősítették a földi előrejelzéseket, ugyanakkor a hőmérsékleti ciklusok nagyobb hatással vannak, mint korábban vélték. A fémötvözeteknél a mikrogravitáció nem okozott jelentős változást a keménységi értékekben, viszont a termikus fáradásnál apró, de kimutatható mikrorepedések alakultak ki.

Az eredmények jelentősége az űripari fejlesztésekben, az optimalizált, űrbiztos 3D-nyomtatási protokollok kidolgozásában fog várhatóan megmutatkozni. Példaként említhető a sugárzás- és hőmérséklet-álló termékek, például nukleáris reaktor komponensek és extrém körülményekre tervezett alkatrészek fejlesztése. Az oktatásban és kutatásban pedig szerepet játszhat az egyetemekkel való együttműködésben a 3D-nyomtatás terén, az űrkutatás interdiszciplináris tárgyainak fejlesztésében, valamint a nemzetközi együttműködések kibővítésében más űrügynökségekkel és ipari partnerekkel.