Produkcja kosmiczna - Space manufacturing

Wizja przyszłej bazy księżycowej, którą można by produkować i konserwować za pomocą druku 3D.
Kryształy wyhodowane przez amerykańskich naukowców na Rosyjskiej Stacji Kosmicznej Mir w 1995 roku: (a) kanawalina romboedryczna , (b) kinaza kreatynowa , (c) lizozym , (d) katalaza wołowa , (e) alfa amylaza wieprzowa , (f) katalaza grzybowa, (g) miglobina, (h) konkanawalina B , (i) taumatyna , (j) apoferrytyna , (k) satelitarny wirus mozaiki tytoniu i (l) heksagonalna kanawalina.
Porównanie wzrostu kryształów insuliny w przestrzeni kosmicznej (po lewej) i na Ziemi (po prawej).

In-Space Manufacturing (ISM) obejmuje kompleksowy zestaw procesów ukierunkowanych na produkcję wytwarzanych towarów w środowisku kosmicznym. ISM jest również często używany zamiennie z terminem produkcja na orbicie, biorąc pod uwagę, że obecne możliwości produkcyjne są ograniczone do niskiej orbity okołoziemskiej .

Istnieje kilka przesłanek wspierających produkcję w kosmosie:

  • Środowisko kosmiczne, w szczególności oddziaływanie mikrograwitacji i próżni , umożliwia badania i produkcję dóbr, które w innym przypadku nie mogłyby zostać wyprodukowane na Ziemi.
  • Wydobywanie i przetwarzanie surowców z innych ciał astronomicznych , zwane również In-Situ Resource Utilization (ISRU), może umożliwić bardziej zrównoważone misje eksploracji kosmosu przy niższych kosztach w porównaniu z wystrzeliwaniem wszystkich wymaganych zasobów z Ziemi.
  • Surowce mogłyby zostać przetransportowane na niską orbitę okołoziemską, gdzie mogłyby zostać przetworzone na towary wysyłane na Ziemię. Zastępując produkcję naziemną na Ziemi, ma to na celu zachowanie Ziemi.
  • Surowce o bardzo wysokiej wartości, na przykład złoto, srebro lub platyna, mogłyby zostać przetransportowane na niską orbitę okołoziemską w celu przetworzenia lub przetransportowania na Ziemię, która, jak się uważa, może stać się ekonomicznie opłacalna.

Historia

Podczas misji Sojuz 6 w 1969 r. rosyjscy kosmonauci przeprowadzili pierwsze eksperymenty spawalnicze w kosmosie. Przetestowano trzy różne procesy spawania przy użyciu jednostki sprzętowej o nazwie Vulkan. Testy obejmowały spawanie aluminium , tytanu i stali nierdzewnej .

Skylab misja rozpoczęła się w maju 1973 roku, służył jako laboratorium do wykonywania różnych eksperymentów powierzchni produkcyjnej. Stacja została wyposażona w zakład przeróbki materiałów, w skład którego wchodził wielofunkcyjny piec elektryczny , komora wzrostu kryształów oraz działo elektronowe . Wśród eksperymentów do wykonania były badania dotyczące obróbki stopionego metalu; fotografowanie zachowania zapalonych materiałów w stanie zerowej grawitacji; wzrost kryształów; przetwarzanie stopów niemieszalnych ; lutowania z nierdzewnej stali rur, elektronowej Spawanie i formowania kulek z roztopionego metalu. Podczas misji załoga spędziła łącznie 32 roboczogodziny na materiałoznawstwie i badaniu produkcji kosmicznej.

Przestrzeń Studies Institute rozpoczął gospodarzem bi-roczny Konferencja powierzchni produkcyjnej w 1977 roku.

Badania mikrograwitacji w przetwarzaniu materiałów kontynuowano w 1983 roku z wykorzystaniem obiektu Spacelab . Moduł ten został wyniesiony na orbitę 26 razy na pokładzie promu kosmicznego , począwszy od 2002 roku. W tej roli prom służył jako tymczasowa, krótkotrwała platforma badawcza przed ukończeniem Międzynarodowej Stacji Kosmicznej .

Urządzenie Wake Shield jest umieszczane przez ramię robota promu kosmicznego . Obraz NASA

W lutym 1994 i wrześniu 1995, Wake Shield Facility został przeniesiony na orbitę przez wahadłowiec kosmiczny . Ta platforma demonstracyjna wykorzystywała próżnię wytworzoną w śladzie orbitalnym do wytwarzania cienkich warstw arsenku galu i arsenku galu glinu .

31 maja 2005 r. na orbitę wystrzelono odzyskiwalne, bezzałogowe laboratorium Foton-M2 . Wśród eksperymentów był wzrost kryształów i zachowanie stopionego metalu w stanie nieważkości.

Ukończenie Międzynarodowej Stacji Kosmicznej zapewniło rozbudowane i ulepszone zaplecze do prowadzenia badań przemysłowych. Doprowadziły one i nadal będą prowadzić do poprawy naszej wiedzy na temat materiałoznawstwa, nowych technik produkcji na Ziemi i potencjalnie kilku ważnych odkryć w metodach produkcji kosmicznej. NASA i Tethers Unlimited przetestują Refabricator na pokładzie ISS, który ma na celu recykling plastiku do wykorzystania w kosmicznej produkcji przyrostowej.

Lewitator Elektromagnetyczny Laboratorium Materiałoznawczego (MSL-EML) na pokładzie Laboratorium Columbus jest placówką naukową, która może być wykorzystywana do badania właściwości topnienia i krzepnięcia różnych materiałów. Fluid Science Laboratory (FSL) służy do badania zachowania się cieczy w warunkach mikrograwitacji.

Właściwości materiałów w środowisku kosmicznym

Istnieje kilka wyjątkowych różnic między właściwościami materiałów w kosmosie a tymi samymi materiałami na Ziemi. Różnice te można wykorzystać do stworzenia unikalnych lub ulepszonych technik produkcyjnych.

  • Środowisko mikrograwitacyjne umożliwia kontrolę konwekcji cieczy lub gazów oraz eliminację sedymentacji. Dyfuzja staje się podstawowym sposobem mieszania materiałów, umożliwiając mieszanie materiałów nie mieszających się w inny sposób. Środowisko pozwala na zwiększony wzrost większych kryształów o wyższej jakości w roztworze.
  • Ultraczysta próżnia przestrzeni pozwala na tworzenie bardzo czystych materiałów i przedmiotów. Zastosowanie naparowywania może być stosowane do nawarstwiania materiałów warstwa po warstwie, wolnych od wad.
  • Napięcie powierzchniowe powoduje, że ciecze w mikrograwitacji tworzą idealnie okrągłe kulki. Może to powodować problemy przy próbie pompowania cieczy przez przewód, ale jest bardzo przydatne, gdy do zastosowania potrzebne są idealne kulki o jednakowym rozmiarze.
  • Przestrzeń może zapewnić łatwo dostępne ekstremalne upały i zimno. Światło słoneczne można skoncentrować, aby skoncentrować wystarczającą ilość ciepła do stopienia materiałów, podczas gdy przedmioty przechowywane w wiecznym cieniu są narażone na temperatury bliskie zeru bezwzględnego. Gradient temperatury można wykorzystać do produkcji mocnych, szklistych materiałów.

Obróbka materiałów

W przypadku większości zastosowań produkcyjnych należy spełnić określone wymagania materiałowe. Rudy mineralne muszą być rafinowane w celu wydobycia określonych metali , a lotne związki organiczne będą musiały zostać oczyszczone. Idealnie, te surowce są dostarczane do miejsca przetwarzania w sposób ekonomiczny, gdzie czas dotarcia, wydatki na energię napędową i koszty wydobycia są uwzględniane w procesie planowania . Minerały można pozyskać z asteroid , powierzchni Księżyca lub ciała planetarnego. Lotne potencjalnie mogłyby być uzyskane z komety , węgiel chondrytu lub „C-type” asteroidy lub księżyce o Marsie i innych planetach. Może się również okazać, że możliwe jest wydobycie wodoru w postaci lodu wodnego lub uwodnionych minerałów z zimnych pułapek na biegunach Księżyca .

O ile przetwarzanie materiałów i zakłady produkcyjne nie znajdują się w tym samym miejscu co zakłady wydobycia zasobów, surowce musiałyby być przemieszczane w układzie słonecznym . Istnieje wiele proponowanych środków zapewniania napędowy dla tego materiału, w tym żagli słonecznych , żagle elektrycznych , żagle magnetyczne , elektryczne silniki jonowe , silniki mikrofalowa elektrotermiczne lub sterowników masowego (ten ostatni sposób wykorzystuje sekwencję elektromagnesów zamontowane w linii, aby przyspieszyć przewodzącego materiał).

W zakładzie przetwarzania materiałów przychodzące materiały będą musiały zostać przechwycone w jakiś sposób. Rakiety manewrujące przymocowane do ładunku mogą zaparkować zawartość na pasującej orbicie. Alternatywnie, jeśli ładunek porusza się z małą wartością delta-v względem miejsca przeznaczenia, można go przechwycić za pomocą łapacza masy . Może to być duża, elastyczna siatka lub nadmuchiwana konstrukcja, która przenosiłaby pęd masy na większy obiekt. Po umieszczeniu materiały można przenieść na miejsce za pomocą środków mechanicznych lub za pomocą małych silników odrzutowych.

Materiały mogą być wykorzystywane do produkcji zarówno w ich surowej postaci, jak i poprzez ich przetwarzanie w celu wyodrębnienia elementów składowych. Techniki przetwarzania obejmują różne chemiczne , termiczne , elektrolityczne i magnetyczne metody separacji. W najbliższym czasie stosunkowo proste metody mogą być użyte do ekstrakcji glinu , żelaza , tlenu i krzemu ze źródeł księżycowych i asteroidowych. Mniej skoncentrowane elementy będą prawdopodobnie wymagały bardziej zaawansowanych zakładów przetwórczych, które być może będą musiały poczekać, aż w pełni rozwinie się kosmiczna infrastruktura produkcyjna.

Niektóre procesy chemiczne będą wymagały źródła wodoru do produkcji mieszanin wody i kwasów . Gazowy wodór można również wykorzystać do ekstrakcji tlenu z regolitu księżycowego , chociaż proces ten nie jest zbyt wydajny. Tak więc łatwo dostępne źródło użytecznych substancji lotnych jest pozytywnym czynnikiem rozwoju kosmicznej produkcji. Alternatywnie, tlen można uwolnić z księżycowego regolitu bez ponownego użycia importowanych materiałów, ogrzewając regolit do 4530 ° F (2500 ° C) w próżni. Zostało to przetestowane na Ziemi za pomocą symulacji Księżyca w komorze próżniowej. Aż 20% próbki zostało uwolnione jako wolny tlen. Eric Cardiff nazywa resztę żużlu. Proces ten jest wysoce wydajny pod względem zużycia importowanych materiałów na partię, ale nie jest najbardziej wydajnym procesem pod względem energii na kilogram tlenu.

Jedną z proponowanych metod oczyszczania materiałów asteroid jest zastosowanie tlenku węgla (CO). Podgrzanie materiału do 500 ° F (260 ° C) i wystawienie go na CO powoduje, że metale tworzą gazowe karbonylki . Ta para może być następnie destylowana w celu oddzielenia składników metalowych , a CO można następnie odzyskać w innym cyklu ogrzewania. W ten sposób zautomatyzowany statek może zeskrobać luźne materiały z powierzchni, powiedzmy, ze stosunkowo pobliskiego 4660 Nereus (w kategoriach delta-v), przetworzyć rudę za pomocą ogrzewania słonecznego i CO, a ostatecznie wrócić z ładunkiem prawie czystego metalu. Ekonomia tego procesu może potencjalnie pozwolić na wydobycie materiału przy jednej dwudziestej kosztu wystrzelenia z Ziemi, ale wymagałoby to dwuletniej podróży w obie strony, aby zwrócić każdą wydobytą rudę.

Produkcja

Ze względu na ograniczenia prędkości światła w komunikacji, produkcja w kosmosie w odległym punkcie pozyskiwania zasobów będzie wymagała albo całkowicie autonomicznej robotyki do wykonywania pracy, albo ludzkiej załogi ze wszystkimi towarzyszącymi wymaganiami dotyczącymi siedliska i bezpieczeństwa. Jeśli jednak elektrownia zostanie zbudowana na orbicie okołoziemskiej lub w pobliżu załogowego habitatu kosmicznego , urządzenia telerobotyczne mogą być wykorzystywane do pewnych zadań, które wymagają ludzkiej inteligencji i elastyczności.

Energia słoneczna zapewnia łatwo dostępne źródło energii do obróbki cieplnej. Nawet w przypadku samego ciepła, proste materiały termotopliwe mogą być stosowane do podstawowej konstrukcji stabilnych konstrukcji. Masowa gleba z Księżyca lub asteroid ma bardzo niską zawartość wody, a po stopieniu w celu utworzenia szklistych materiałów jest bardzo trwała. Te proste, szkliste bryły można wykorzystać do budowy habitatów na powierzchni Księżyca lub w innym miejscu. Energia słoneczna może być skoncentrowana w obszarze produkcyjnym za pomocą szeregu sterowanych luster .

Dostępność i korzystne właściwości fizyczne metali sprawią, że staną się one głównym składnikiem produkcji kosmicznej. Większość technik manipulacji metalami stosowanych na Ziemi może być również zaadoptowana do produkcji kosmicznej. Kilka z tych technik będzie wymagało znacznych modyfikacji ze względu na środowisko mikrograwitacyjne .

Produkcja stali hartowanej w kosmosie wprowadzi kilka nowych czynników. Węgiel pojawia się tylko w niewielkich ilościach w materiałach powierzchni Księżyca i będzie musiał być dostarczany z innych źródeł. Jednym z możliwych źródeł są materiały odpadowe przynoszone przez ludzi z Ziemi, podobnie jak komety. Wody zwykle używanej do hartowania stali również będzie brakować i wymaga ona silnego mieszania.

Odlewanie stali może być trudnym procesem w mikrograwitacji, wymagającym specjalnych procesów ogrzewania i wtrysku lub formowania wirowego. Ogrzewanie może odbywać się za pomocą światła słonecznego w połączeniu z grzałkami elektrycznymi. Należy również zarządzać procesem odlewania, aby uniknąć tworzenia się pustych przestrzeni, gdy stal stygnie i kurczy się.

Do ukształtowania metalu w żądany kształt można zastosować różne techniki obróbki metalu. Standardowe metody to odlewanie, ciągnienie , kucie , obróbka skrawaniem , walcowanie i spawanie . Zarówno walcowanie, jak i ciągnienie metali wymagają ogrzewania, a następnie chłodzenia. Kucie i wytłaczanie może wymagać pras z napędem, ponieważ grawitacja nie jest dostępna. Spawanie wiązką elektronów zostało już zademonstrowane na pokładzie Skylab i prawdopodobnie będzie metodą z wyboru w kosmosie. Operacje obróbki skrawaniem mogą wymagać precyzyjnych narzędzi, które przez pewien czas będą musiały być importowane z Ziemi.

W takich miejscach jak Narodowe Centrum Zaawansowanej Produkcji Marshalla badane są nowe technologie produkcji kosmicznej . Badane metody obejmują powłoki, które można natryskiwać na powierzchnie w kosmosie za pomocą kombinacji energii cieplnej i kinetycznej, a także wytwarzanie części bez użycia wiązki elektronów. Takie podejścia, jak również badanie właściwości materiałów, które można badać w laboratorium na orbicie, będą badane na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej przez NASA i Made In Space, Inc.

Drukowanie 3D w kosmosie

Możliwość drukowania przedmiotów 3D w kosmosie ma wiele zalet w porównaniu z produkcją zlokalizowaną na Ziemi. Dzięki technologiom druku 3D, zamiast eksportować narzędzia i sprzęt z Ziemi w kosmos, astronauci mają możliwość bezpośredniej produkcji potrzebnych przedmiotów. Modele produkcji na żądanie sprawiają, że dalekie podróże kosmiczne są bardziej wykonalne i samowystarczalne, ponieważ wyprawy w kosmos wymagają mniejszej ilości ładunku. Poprawiono również bezpieczeństwo misji.

Made In Space, Inc. drukarki 3D , która rozpoczęła się w 2014 roku na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej , zostały zaprojektowane specjalnie dla zerowej grawitacji lub środowiska mikro-grawitacyjnego. Wysiłek został nagrodzony kontraktem na badania i innowacje w małych przedsiębiorstwach fazy III. Zakład produkcji dodatków będzie wykorzystywany przez NASA do przeprowadzania napraw (w tym w sytuacjach awaryjnych), modernizacji i instalacji. Made In Space wymienia zalety drukowania 3D, takie jak łatwa personalizacja, minimalne straty surowców, zoptymalizowane części, szybszy czas produkcji, zintegrowana elektronika, ograniczona interakcja człowieka i możliwość modyfikacji procesu drukowania.

Eksperyment Refabricator, opracowywany przez Firmamentum, oddział Tethers Unlimited, Inc. w ramach kontraktu NASA Phase III Small Business Innovation Research, łączy system recyklingu i drukarkę 3D w celu przeprowadzenia demonstracji produkcji w zamkniętym cyklu w kosmosie na Międzynarodowym Stacja Kosmiczna (ISS). Eksperyment Refabricator, który został dostarczony do ISS na pokładzie Cygnus NG-10 19 listopada, przetwarza surowce z tworzyw sztucznych poprzez wiele cykli drukowania i recyklingu, aby ocenić, ile razy materiały z tworzyw sztucznych mogą być ponownie użyte w środowisku mikrograwitacji, zanim ich polimery ulegną degradacji do niedopuszczalne poziomy.

Dodatkowo druk 3D w kosmosie może również uwzględniać drukowanie posiłków. Program Advanced Food Technology NASA bada obecnie możliwość drukowania artykułów spożywczych w celu poprawy jakości żywności, zawartości składników odżywczych i różnorodności.

Produkty

Uważa się, że istnieje szereg użytecznych produktów, które potencjalnie mogą być wytwarzane w kosmosie i przynosić korzyści ekonomiczne. Niezbędne są badania i rozwój, aby określić najlepsze towary do wyprodukowania i znaleźć wydajne metody produkcji. Następujące produkty są uważane za potencjalnych wczesnych kandydatów:

Wraz z rozwojem infrastruktury i spadkiem kosztów montażu część mocy produkcyjnych może zostać skierowana na rozwój rozbudowanych obiektów w kosmosie, w tym zakładów produkcyjnych na większą skalę. Będzie to prawdopodobnie wymagało użycia materiałów księżycowych i asteroidowych, a więc będzie podążać za rozwojem baz wydobywczych.

Rock jest najprostszym produktem i co najmniej jest przydatny do ochrony przed promieniowaniem. Może być również później przetwarzany w celu wydobycia elementów o różnym przeznaczeniu.

Uważa się, że woda ze źródeł księżycowych, planetoid bliskich Ziemi lub księżyców marsjańskich jest stosunkowo tania i łatwa do wydobycia i zapewnia odpowiednią wydajność w wielu celach produkcyjnych i transportowych. Rozdzielanie wody na wodór i tlen można łatwo przeprowadzić na małą skalę, ale niektórzy naukowcy uważają, że początkowo nie zostanie to wykonane na dużą skalę ze względu na dużą ilość sprzętu i energii elektrycznej potrzebnej do rozdziału wody i upłynnienia powstałych gazów. Woda używana w rakietach parowych daje impuls właściwy około 190 sekund; mniej niż o połowę mniej niż wodór/tlen, ale jest to wystarczające dla delta-v, które występują między Marsem a Ziemią. Woda jest użyteczna jako osłona przed promieniowaniem oraz w wielu procesach chemicznych.

Ceramika wykonana z gleby księżycowej lub asteroidowej może być wykorzystywana do różnych celów produkcyjnych. Zastosowania te obejmują różne izolatory termiczne i elektryczne, takie jak osłony termiczne dla ładunków dostarczanych na powierzchnię Ziemi.

Metale mogą być używane do montażu różnych przydatnych produktów, w tym szczelnych pojemników (takich jak zbiorniki i rury), luster do skupiania światła słonecznego i grzejników termicznych. Zastosowanie metali do urządzeń elektrycznych wymagałoby izolatorów do przewodów, więc potrzebny będzie elastyczny materiał izolacyjny, taki jak plastik lub włókno szklane.

Oczekuje się, że znaczącym wynikiem produkcji kosmicznej będą panele słoneczne. Rozległe panele energii słonecznej można budować i montować w kosmosie. Ponieważ konstrukcja nie musi podtrzymywać obciążeń, które byłyby doświadczane na Ziemi, ogromne macierze można składać z proporcjonalnie mniejszych ilości materiału. Wygenerowana energia może być następnie wykorzystywana do zasilania zakładów produkcyjnych, siedlisk, statków kosmicznych, baz księżycowych, a nawet przesyłana mikrofalami do kolektorów na Ziemi .

Inne możliwości produkcji kosmicznej obejmują paliwo do statków kosmicznych, niektóre części naprawcze do statków kosmicznych i habitatów kosmicznych oraz, oczywiście, większe fabryki. Ostatecznie kosmiczne zakłady produkcyjne mogą hipotetycznie stać się niemal samowystarczalne, wymagając jedynie minimalnego importu z Ziemi. Środowisko mikrograwitacyjne otwiera nowe możliwości w budownictwie na masową skalę, w tym w inżynierii megaskalowej . Te przyszłe projekty mogą potencjalnie montować windy kosmiczne , ogromne farmy fotowoltaiczne, statki kosmiczne o bardzo dużej pojemności i obracające się siedliska zdolne do utrzymania populacji dziesiątek tysięcy ludzi w warunkach zbliżonych do ziemskich.

Wyzwania

Oczekuje się, że środowisko kosmiczne będzie korzystne dla produkcji różnorodnych produktów, zakładając, że można pokonać przeszkody. Najbardziej znaczącym kosztem jest pokonanie przeszkód energetycznych związanych z wystrzeleniem materiałów na orbitę. Gdy ta bariera zostanie znacznie obniżona pod względem kosztu za kilogram , cena wejścia dla produkcji kosmicznej może sprawić, że będzie ona znacznie bardziej atrakcyjna dla przedsiębiorców. Po zapłaceniu wysokich kosztów kapitalizacji związanych z montażem obiektów wydobywczych i produkcyjnych produkcja będzie musiała być opłacalna ekonomicznie, aby stać się samowystarczalną i korzystną dla społeczeństwa.

Ekonomiczne wymagania produkcji kosmicznej implikują potrzebę zbierania niezbędnych surowców przy minimalnych kosztach energii. Koszt transportu kosmicznego jest bezpośrednio związany z delta-v , czyli zmianą prędkości wymaganej do przemieszczania się z kopalń do zakładów produkcyjnych. Przeniesienie materii na orbitę Ziemi z ciał takich jak asteroidy bliskie Ziemi , Fobos , Deimos lub powierzchnia Księżyca wymaga znacznie mniej delta-v niż wystrzelenie z samej Ziemi, pomimo większych odległości. To sprawia, że ​​miejsca te są atrakcyjne ekonomicznie jako źródła surowców.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki