宇宙で作られた: 軌道上での添加物

3D プリンティング技術の発展により、地球外製造が遅かれ早かれ現実になる可能性があります。 スチュアート・ネイサンがレポート

カーク船長とピカード船長が心に残る言葉を残したように、宇宙は最後のフロンティアです。 探検のためだけではありません。 太陽系における人類の存在に関する計画がより発展するにつれて、研究者はこれまで地球に限定されていた人類の活動領域を宇宙に拡大する方法をますます模索しています。 コベントリーの製造技術センターで最近開催されたカンファレンスで検討されたように、1 つの分野は製造です。

製造業の非常に特殊な分野が研究されています。それは、宇宙船と、宇宙での人間の探検家がその任務（5年以上続くかどうか）に必要となるかもしれない物品（シェルター、居住地、道具など）の製造です。 その最初の段階はすでに調査され始めている。宇宙船の軌道上での組み立ては、1980年代後半から1990年代初頭に目覚ましい成功を収め、ロシアの打ち上げロケットやスペースシャトルによって輸送されたモジュールから国際宇宙ステーション（ISS）が建設された。 、自律ドッキング操作または宇宙飛行士のいずれかによって組み立てられます。

惑星外での製造の背後にある理論的根拠は、ISS の建造戦略と同じです。つまり、不自然な形状や大きな物体を、地球上で建造して軌道に打ち上げるよりも、その場で建造する方が簡単です。 打ち上げ時の振動や厳しさに耐えたり、安全に輸送できるように梱包したりする必要はありません。 重要なのは、輸送が必要な原材料の質量だけです。

もちろん、これは理論上の話です。 簡単かもしれませんが、実際に何かを構築するという課題はまだ克服する必要があり、比較的最近まで、確立された製造技術のうち、微小重力条件での使用に適した（または実用的な）ものはほとんどありませんでした。

エンジニアのこれまでのこの分野への進出では、長いブームを作るためのプラスチックの押出成形などの技術が検討されていましたが、たとえば宇宙船の主要モジュールを構築する能力はまったく不足していました。

この状況は、粉末やワイヤーなどの非常に単純な形状の原材料を使用して、それらを比較的複雑な 3 次元の幾何学的形状に変える積層造形技術の出現によって変わりました。 これらにより、原材料をコンパクトな形で軌道上に輸送する必要があり、複雑な構造物を宇宙に構築できるようになります。

英国宇宙庁のトニー・ミアーズ氏は、「[積層造形は]他に類を見ないほど宇宙製造に大きな変革をもたらす可能性を秘めています。従来の機械のコストを一掃することから、新しいデザインの作成に至るまで、積層造形は光学機器への取り組み方を変えています」と述べています。 、ミラー、さらにはロケットエンジンまで。英国宇宙庁はこれらすべてのプロジェクトにTRL（技術準備レベル）中期までの資金を提供しており、それらはすべて商業用途での有望な将来を持っています。」

すべての加算技術が宇宙での使用に適しているわけではありません。 最も一般的に 3D プリンティングと呼ばれる技術、つまりレーザーを使用して金属またはポリマーの粉末を溶かし、アイテムをスライスごとに構築するパウダーベッド積層造形法は、適切ではありません。 ノッティンガム大学の積層造形センター所長であるリチャード・ハーグ教授は、重力が存在しない場合、3D プリンター内に粉体層を統合することは不可能であり、したがってこの技術は不可能であるとエンジニアに説明しました。 。

しかし、有望視されている技術の 1 つは、ワイヤー + アーク積層造形 (WAAM) です。 溶接から派生したこれは、ロボット アームに取り付けられた電気アーク エフェクターを使用して、ワイヤーから金属を堆積させ、エフェクター アームがプログラムされている任意の形状にします。 このようなシステムは円を描いて移動するのが簡単であるため、端が丸い円柱や球を作るのに特に適しています。どちらも宇宙船や宇宙空間で一般的に使用される形状です。 加圧ガスを保持するように設計されたタンクは、このような形状が一般的です。

クランフィールド大学は WAAM の開発で重要な役割を果たしており、この技術の宇宙応用を検討しています。 今年の初め、同社はタレス・アレニア・スペースと、高級金属でのこの技術の利用に注力しているスコットランドの企業グレナモンド・テクノロジーズと協力して、宇宙用途向けに設計されたチタン合金圧力容器の実物大プロトタイプを構築した。 重さ 8.5kg、長さ 1 メートルのこのタンクは、航空宇宙および生物医学分野での用途に一般的に使用される強度重量比の高い材料である Ti-6Al-4V 合金で作られています。

MTCカンファレンスで、先端製造研究センターの設計エンジニア、アブドゥル・ハク氏は、マイクロ波対応の電熱スラスターシステムで使用するアンモニアを保持するように設計された、CubeSat用の球形チタン推進薬タンクを構築するプロジェクトについて語った。 このプロジェクトは、業界パートナーのAVS Spaceと協力して、「英国の大宇宙時代」という政府のビジョンを支援するために英国の製造拠点での機会を探ることを目的として2018年9月に設立されたAMRC/Spaceの一環として実施された。 ハク氏によると、タンクはそのような用途に必要な内圧基準を満たしていたという。

宇宙向け積層造形が大きな関心を集めているもう 1 つの用途は、後の火星への有人ミッションへの応用を見据えた、月面での宇宙飛行士の居住地の構築です。 繰り返しになりますが、その理論的根拠は、かさばって重い物品を地球から目標の着陸地点まで輸送する必要性を取り除くことです。 このような場合の目標は、通常、モジュールを構築するための原材料として現場​​資源利用 (ISRU) を使用することです。つまり、レゴリスとして知られる月 (または火星の) 土壌を使用することです。 ISRU は現在、月帰還ミッションで大きな関心を集めています。

新しい月探査計画が計画にしっかりと組み込まれるようになり、添加物生息地への関心が高まっており、今年 5 月末、ドイツの独立研究機関であるレーザー ツェントラム ハノーバー (LZH) は、技術科学研究所の宇宙システム研究所と提携して、ブラウンシュヴァイク大学（IRAS）は、2015年に始まったMOONRISEと呼ばれるプロジェクトの新段階を発表した。IRASの研究リーダーであるエンリコ・ストール教授は、プロジェクトの設備は、月のレゴリスを溶かしてロボットに再堆積させることができる軽量レーザーであると述べた。 -制御された添加剤押出システムは、2021年末までにESA主導の月探査ミッションに搭載される予定です。

MOONRISE レーザーの重さは 3kg で、チームは現在、月面探査機のベースにあるトンネルに収まるように調整中です。 ミッションの前に、システムは月の輸送条件に耐え、月の環境で動作できるかどうかテストされます。 現在、この装置のテストは 10 か月間行われています。 LZHの研究リーダーであるルドガー・オーバーマイヤー教授は、大規模な予算内でプロセスの安全性と装置を確保するという課題はかなり大きいが、進歩は有望であると述べた。

このプロジェクトは、ドイツ最大の基礎研究の独立資金提供者であるフォルクスワーゲン財団から資金提供を受けており、同財団は新規プロジェクトに年間 1 億ユーロ (8,900 万ポンド) の報酬を与えています。 その名前にもかかわらず、同社は自動車大手とは提携していません。

一方、NASAは火星での3Dプリントによる生息地の建設を競争の対象とし、4月に最後から2番目の第4段階を完了した。 コンテストに参加した上位 3 チーム、ニューヨークを拠点とする SEArch+/Apis Cor、アーカンソー州の Zopherus、コネチカット州ニューヘブンの Mars Incubator は、短編ビデオと内部を示すミニチュア 3D プリント モデルをもとに 10 万ドルの賞金を分け合いました。彼らの構造。

各チームは問題に対して異なるアプローチをとりました。 SEArch+/Apis Cor は、螺旋構造と建物上部の側面に沿った光を取り込むためのポートのおかげで、連続的な構造強化を備えた多階建てのデザインを開発しました。 Zopherus は、追加の構造物を構築するために現場から現場へと移動するように設計されたロービング 3D プリンターを使用しました。 マーズ インキュベーターの設計は、ブリッジで接続された、異なる目的を持つ 4 つの別々のボリュームで構成されています。

コンテストの最終段階は完了し、ファイナリスト 3 名が構造物の実物大モデルを構築するために対決します。しかし、この特集が報道された時点で、優勝者 (賞金 80 万ドルを獲得する) はまだ決まっていませんでした。まだ発表されていない。