Come la NOAA usa le stampanti 3D SLA e SLS per la ricerca sui coralli

Ogni giorno i telegiornali ci forniscono prove sempre più evidenti del cambiamento climatico: paesaggi polari che si sciolgono, aree tropicali dalla natura rigogliosa ridotte a lande desolate e barriere coralline ormai secche. I ricercatori di tutto il mondo stanno impiegando tecniche nuove e innovative per cercare di contrastare questo processo. Ad esempio, un team di ricerca della National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA) si affida alla stampa 3D per ottenere parti ripetibili e personalizzate per il monitoraggio delle barriere coralline. 

Grazie a due stampanti stereolitografiche (SLA), la Form 2 e la Form 3, e la stampante a sinterizzazione laser selettiva (SLS) Fuse 1, Nate Formel e i suoi colleghi dell'Atlantic Oceanographic and Meteorological Laboratory (AOML) della NOAA stampano alloggiamenti resistenti per campionatori, dime per sensori e attrezzature sperimentali e componenti personalizzati per i loro acquari in-house, strutture costruite per studiare l'adattamento dei coralli e i metodi per migliorarne la resilienza di fronte all'aumento delle temperature dell'acqua e alle condizioni estreme di un clima che cambia.

I coralli sono organismi coloniali, tipicamente costituiti da migliaia o centinaia di migliaia di singoli polipi, ciascuno con un complesso consorzio di microrganismi che contribuiscono alla loro salute e al loro nutrimento. I coralli che costruiscono una barriera corallina secernono carbonato di calcio, un materiale duro e roccioso che costituisce le strutture che comunemente chiamiamo "struttura" o "habitat". Questo habitat, e tutto l'ecosistema che sostiene, è estremamente prezioso, in quanto ospita la più alta concentrazione di biodiversità nel regno marino; per questo motivo, spesso viene definito le "foresta pluviale del mare".  Da un punto di vista antropocentrico, la barriera corallina garantisce miliardi di dollari all'economia statunitense, poiché sostiene la pesca, il turismo e protegge le coste dalla forza delle onde e dalle tempeste.

I coralli sono vitali per la salute dell'ecosistema e dell'economia globale, ma la loro salute è in rapido declino. Secondo uno studio pubblicato su One Earth, dal 1950 oltre la metà della popolazione globale di coralli è stata spazzata via. I fattori antropogenici, o causati dall'uomo, come l'inquinamento delle acque, la distruzione degli habitat e il riscaldamento globale dovuto all'uso di combustibili fossili, all'agricoltura su scala industriale e alla deforestazione, sono la causa principale di questa situazione. 

Per combattere la perdita di barriera corallina, gli scienziati e i ricercatori della NOAA e delle istituzioni partner utilizzano metodi innovativi per studiare i coralli nel loro ambiente naturale, riprodurre determinate condizioni in ambienti di laboratorio controllati e quindi coltivare nuove specie di coralli in grado di resistere meglio a condizioni estreme. Il Coral Program dell'AOML, dove lavora Formel, in collaborazione con il Cooperative Institute for Marine and Atmospheric Studies (CIMAS) dell'Università di Miami, sfrutta la stampa 3D per facilitare la ricerca sul campo e in laboratorio. L'uso delle stampanti Formlabs ha contribuito a standardizzare e a migliorare l'accuratezza e la comparabilità dei loro esperimenti e ha semplificato lo sviluppo di nuove tecnologie.

To identify characteristics of coral that will thrive in a new, more extreme marine environment, Formel and his colleagues look for coral that are currently thriving under conditions expected in a more acidified ocean, like those near volcanic vents. The team created a subsurface automated sampler (SAS) to collect water samples on coral reefs to help understand the intensity and variability of the conditions in which these coral are living. They made the design of these samplers open source so other groups across the world could use this tool. Utilizing 3D printing helped keep the cost of the sampler low, to allow the construction and deployment of many samplers without large funding budgets. The automation allows for synchronized sampling to give researchers an idea of exactly what’s happening in the water at different times or at multiple locations.

“The automation of sampling was an appealing idea to improve our science and improve the ease of carrying out that science,” says Formel. “You can have a synchronized sampling time that shows exactly what’s happening in the water chemistry at different sites.”

Nel suo tentativo di sviluppare un campionatore d'acqua opensource a basso costo, il Dott. Ian Enochs, responsabile del Coral Program dell'AOML, ha inizialmente usato alloggiamenti realizzati a partire da acrilico trasparente e impermeabile con bulloneria in acciaio inossidabile. Tuttavia, il costo dei materiali è stato di quasi 1000 $. I laboratori di ricerca hanno budget limitati: con un costo così elevato, non era realistico aspettarsi che la prima versione del campionatore venisse utilizzata su larga scala. Tuttavia, senza automazione, tutti i campioni dovevano essere raccolti a mano, il che aumentava i tempi e i costi sul campo. Il prelievo manuale rendeva inoltre estremamente difficile la raccolta di campioni ad alta frequenza, in modo sincronizzato oppure di notte. Enochs e Formel si sono affidati alla stampa 3D per ridurre i costi e ampliare i tipi di set di dati che potevano raccogliere. "La stampa 3D ci ha permesso di mantenere il livello di complessità a cui puntavamo nella nostra ricerca, ma a costi inferiori", afferma Formel.

Il team del Coral Program ha iniziato con la tecnologia di stampa 3D più diffusa, ovvero la modellazione a deposizione fusa (FDM), ma si è subito imbattuto in un ostacolo: le parti FDM non sono impermeabili. Il modo in cui un ugello di stampa FDM deposita il materiale crea piccoli spazi tra gli strati, sufficienti a far sì che l'acqua si infiltri e danneggi i delicati componenti elettronici interni e i motori dei campionatori. Dopo aver sentito parlare della tecnologia SLA, il team ha iniziato a creare campionatori impermeabili a partire da tubi in PVC e parti stampate in 3D con una Form 2, per poi passare a una Form 3. In questo modo, ha potuto sostituire i costosi alloggiamenti originali in acrilico.

All'interno dell'Experimental Reef Lab (ERL) del campus marino dell'Università di Miami, Formel e gli scienziati del Coral Program dell'AOML hanno installato vari sistemi di acquari identici per simulare le diverse condizioni degli ambienti delle barriere coralline. Ciascuno di questi acquari controlla una serie di variabili, tra cui l'acidità dell'acqua, la temperatura, la luce e la portata.

I sensori e gli apparecchi scientifici utilizzati in un acquario richiedono alloggiamenti impermeabili e attacchi stabili e resistenti, così da evitare di essere danneggiati dagli schizzi d'acqua salata e dall'aria salina corrosiva. 

La possibilità di stampare in 3D alloggiamenti e assemblaggi impermeabili ha permesso di introdurre l'automazione anche nella gestione degli acquari sperimentali. Un alloggiamento per i canali d'immissione a prova di schizzi stampato in 3D ha consentito di automatizzare l'alimentazione dei coralli durante la notte, eliminando ore di manodopera e migliorando e standardizzando il programma di alimentazione dei coralli. 

La stampa 3D ha permesso anche di creare un alloggiamento impermeabile per gli agitatori magnetici. Il team desiderava poter controllare la miscelazione dell'acqua in una camera chiusa all'interno dei serbatoi. Gli agitatori magnetici sono strumenti comuni, ma le versioni impermeabili sono piuttosto costose. Invece di comprarne uno, il team ha utilizzato il motore di una ventola da computer, lo ha collegato a un filo racchiuso in un alloggiamento stampato su un apparecchio Formlabs, ha fissato il coperchio con un O-ring e una piastra acrilica e infine ha sigillato il filo con resina epossidica. Il risultato? Un agitatore impermeabile fatto in casa a soli 30 $. Questo strumento è poi stato incorporato in un nuovo sistema opensource a camera di incubazione destinato alla valutazione rapida dell'adattamento dei coralli. Ciò ha consentito costi bassi e accessibilità della tecnologia, e al contempo ha standardizzato e semplificato le ricerche in corso.

Pur essendo ideali per la creazione di alloggiamenti impermeabili, le parti realizzate con la stampa SLA non possedevano ancora la robustezza desiderata dal Coral Program dell'AOML. Inoltre, per renderle adatte all'uso con gli organismi marini, richiedevano una polimerizzazione post-stampa molto lunga. Il nylon sinterizzato, tuttavia, era un materiale già noto utilizzato per la produzione di molti componenti standard, poiché elimina le preoccupazioni relative all'impatto sugli organismi di studio, creando al contempo componenti incredibilmente resistenti.

Il primo articolo stampato in nylon è stato un semplice alloggiamento per gli acquari sperimentali, pensato per proteggere gli interruttori di metallo dalla corrosione. Per testare la resistenza delle stampe, Formel ha colpito con una mazza e uno scalpello la parte stampata sulla Fuse 1 e, con grande sorpresa, ha scoperto che non era affatto facile da rompere.

Formel ha affermato che "l'importante è diventare il più efficienti ed efficaci possibile. Il nostro obiettivo è semplificare e migliorare la ripetibilità della nostra attività scientifica, e l'uso di [strumenti più robusti] permette di raggiungerlo".

Formel doveva giustificare il costo dell'attrezzatura al gruppo dirigente della divisione. La Fuse 1 soddisfacevano tutti i requisiti: l'ingombro era sufficientemente ridotto, l'area di stampa sufficientemente grande e la fascia di prezzo accessibile. 

L'ottimizzazione del letto di stampa e il tasso di rigenerazione della polvere contribuiscono alla convenienza complessiva della stampa con la Fuse 1. Formel ottimizza il più possibile il posizionamento nelle camere di stampa per allineare la densità di stampa con il tasso di rigenerazione ottimale del 30% della Nylon 12 Powder: ciò significa che solo il 30% della camera di stampa è costituito da polvere nuova e inutilizzata, mentre il 70% è costituito da polvere riciclata da stampe precedenti. 

"Da quando abbiamo acquistato l'apparecchio, non abbiamo più dovuto procurarci altro materiale. La possibilità di riciclare la polvere è molto utile, inoltre cerchiamo di ottenere sempre una densità di stampa ottimale. Tutto ciò si traduce direttamente in un costo per parte ridotto", afferma Formel.

Sia il campionamento sul campo che i risultati dell'acquario in-house forniscono una grande quantità di dati per aiutare i team di ricerca a capire come il corallo possa sopravvivere in condizioni difficili. Grazie ai finanziamenti del Coral Reef Conservation Program della NOAA, il Coral Program dell'AOML sta lavorando per identificare i coralli più resistenti e i loro meccanismi di resilienza per contribuire al ripopolamento delle barriere coralline, una parte importante dell'ecosistema marino e dell'economia globale. Tuttavia, si tratta di un'impresa che non può essere realizzata da un singolo laboratorio. Ecco perché Formel e il suo team rendono totalmente opensource i loro strumenti, compresi i design e le parti in 3D, per diffondere la conoscenza e la consapevolezza dei loro metodi e dei risultati ottenuti. 

"Ci piace parlare di 'democratizzazione della scienza'. Vogliamo che qualsiasi team possa accedere agli stessi strumenti con la stessa facilità. Le stampanti Formlabs ci stanno dando una grande mano in questo senso. Grazie alla sua accessibilità, la stampa 3D sta permettendo di creare nuovi oggetti a cui nessuno aveva mai pensato prima. Prima non avevo mai inventato una parte, mentre ora lo faccio in continuazione", afferma Formel.  

Per trasmettere questo stesso spirito alle nuove generazioni, l'AOML della NOAA e l'Università di Miami organizzano sessioni educative e visite guidate nel laboratorio per studenti dalle scuole medie fino alle scuole di specializzazione. Questi futuri scienziati, ingegneri e innovatori hanno la possibilità di conoscere la tecnologia di stampa 3D e di vedere in prima persona come funziona la scienza che si occupa della protezione e del ripristino del clima.
 

As climate change worsens, new strategies and techniques for fighting its effects will be developed by this younger generation. Just as Formel has become accustomed to inventing new tools with his Formlabs printers, the engineers of the future will have to create things that no one has thought of before. Exposure to accessible, affordable, and easy-to-use 3D printers is integral to helping them do that, and NOAA and the AOML are committed to helping make that happen through events like these educational sessions.