Vesmírná výroba - Space manufacturing

Vize budoucí měsíční základny, která by mohla být vyráběna a udržována pomocí 3D tisku.
Krystaly pěstované americkými vědci na ruské vesmírné stanici Mir v roce 1995: (a) kosočtverečný canavalin , (b) kreatinkináza , (c) lysozym , (d) hovězí kataláza , (e) prasečí alfa amyláza , (f) houbová kataláza, (g) myglobin, (h) concanavalin B , (i) thaumatin , (j) apo feritin , (k) satelitní virus mozaiky tabáku a (l) hexagonální kanavalin.
Porovnání růstu krystalů inzulínu ve vesmíru (vlevo) a na Zemi (vpravo).

In-Space Manufacturing (ISM) zahrnuje komplexní soubor procesů zaměřených na výrobu průmyslového zboží ve vesmírném prostředí. ISM se také často používá zaměnitelně s termínem výroba na oběžné dráze vzhledem k tomu, že současné výrobní kapacity jsou omezeny na nízkou oběžnou dráhu Země .

Výrobu ve vesmíru podporuje několik důvodů:

  • Vesmírné prostředí, zejména účinky mikrogravitace a vakua , umožňují výzkum a výrobu zboží, které by jinak nebylo možné na Zemi vyrábět.
  • Těžba a zpracování surovin z jiných astronomických těles , nazývaných také In-Situ Resource Utilization (ISRU), by mohla umožnit udržitelnější mise průzkumu vesmíru za snížené náklady ve srovnání se spuštěním všech požadovaných zdrojů ze Země.
  • Suroviny by mohly být přepravovány na nízkou oběžnou dráhu Země, kde by mohly být zpracovány na zboží, které je dodáváno na Zemi. Nahrazením pozemské produkce na Zemi jde o zachování Země.
  • Suroviny velmi vysoké hodnoty, například zlato, stříbro nebo platina, by mohly být transportovány na nízkou oběžnou dráhu Země ke zpracování nebo k přenosu na Zemi, o které se předpokládá, že by mohla být ekonomicky životaschopná.

Dějiny

Během mise Sojuz 6 v roce 1969 provedli ruští kosmonauti první svařovací experimenty ve vesmíru. Byly testovány tři různé svařovací procesy pomocí hardwarové jednotky zvané Vulkan. Testy zahrnovaly svařování hliníku , titanu a nerezové oceli .

Skylab mise, která byla zahájena v květnu roku 1973, sloužil jako laboratoř provádět různé experimenty prostor výroby. Stanice byla vybavena zařízením na zpracování materiálů, které zahrnovalo víceúčelovou elektrickou pec , krystalovou růstovou komoru a dělo s elektronovým paprskem. Mezi experimenty, které měly být provedeny, byl výzkum zpracování roztaveného kovu; fotografování chování zapálených materiálů v nulové gravitaci; růst krystalů; zpracování nemísitelných slitin ; pájení trubek z nerezové oceli , svařování elektronovým paprskem a tvorba koulí z roztaveného kovu. Posádka během mise strávila celkem 32 člověkohodin výzkumem materiálů a vyšetřováním výroby vesmíru.

Institut vesmírných studií zahájil v roce 1977 dvouletou konferenci o vesmírné výrobě .

Mikrogravitační výzkum při zpracování materiálů pokračoval v roce 1983 pomocí zařízení Spacelab . Tento modul byl v roce 2002 vynesen na oběžnou dráhu 26krát na palubě raketoplánu . V této roli raketoplán sloužil jako prozatímní, krátkodobá výzkumná platforma před dokončením Mezinárodní vesmírné stanice .

Zařízení Wake Shield je nasazeno robotickou rukou raketoplánu . Obrázek NASA

V únoru 1994 a září 1995 bylo zařízení Wake Shield vyneseno na oběžnou dráhu raketoplánem . Tato demonstrační platforma používala vakuum vytvořené v orbitální dráze k výrobě tenkých vrstev arzenidu galia a arsenidu hliníku a galia.

31. května 2005 byla na oběžnou dráhu vypuštěna obnovitelná bezobslužná laboratoř Foton-M2 . Mezi experimenty byl růst krystalů a chování roztaveného kovu v beztíže.

Dostavba Mezinárodní vesmírné stanice poskytla rozšířená a vylepšená zařízení pro provádění průmyslového výzkumu. Ty mají a budou i nadále vést ke zlepšování našich znalostí o materiálových vědách, nových výrobních technikách na Zemi a potenciálně k některým důležitým objevům v metodách vesmírné výroby. NASA a Tethers Unlimited budou testovat Refabricator na palubě ISS, který je určen k recyklaci plastů pro použití ve vesmírné aditivní výrobě.

Material Science Laboratory Electromagnetic Levitator (MSL-EML) na palubě Columbus Laboratory je vědecké zařízení, které lze použít ke studiu vlastností tavení a tuhnutí různých materiálů. Fluid Science Laboratory (FSL) se používá ke studiu chování kapalin v mikrogravitaci.

Vlastnosti materiálu ve vesmírném prostředí

Mezi vlastnostmi materiálů ve vesmíru existuje několik jedinečných rozdílů ve srovnání se stejnými materiály na Zemi. Tyto rozdíly lze využít k vytvoření jedinečných nebo vylepšených výrobních technik.

  • Mikrogravitační prostředí umožňuje řízení proudění v kapalinách nebo plynech a eliminaci sedimentace. Difúze se stává primárním prostředkem míchání materiálu, který umožňuje smíchání jinak nemísitelných materiálů. Prostředí umožňuje lepší růst větších krystalů vyšší kvality v roztoku.
  • Ultračisté vakuum vesmíru umožňuje vytváření velmi čistých materiálů a předmětů. Depozici par lze použít k vytváření materiálů vrstvu po vrstvě, bez vad.
  • Povrchové napětí způsobuje, že kapaliny v mikrogravitaci vytvářejí dokonale kulaté koule. To může způsobit problémy při pokusu pumpovat kapaliny potrubím, ale je to velmi užitečné, když jsou pro aplikaci potřeba dokonalé koule konzistentní velikosti.
  • Vesmír může poskytnout snadno dostupné extrémy tepla a chladu. Sluneční světlo lze soustředit tak, aby koncentrovalo dostatek tepla k roztavení materiálů, zatímco objekty udržované ve věčném stínu jsou vystaveny teplotám blízkým absolutní nule. Teplotní gradient lze využít k výrobě silných skelných materiálů.

Zpracování materiálu

Pro většinu výrobních aplikací musí být splněny specifické požadavky na materiál. Minerální rudy je třeba rafinovat, aby se extrahovaly specifické kovy , a těkavé organické sloučeniny bude třeba čistit. V ideálním případě jsou tyto suroviny dodávány na místo zpracování ekonomickým způsobem, kde je do procesu plánování zahrnuta doba příjezdu, výdaje na pohonnou energii a náklady na těžbu . Minerály lze získat z asteroidů , měsíčního povrchu nebo planetárního tělesa. Těkavé látky by mohly být získány z komety , uhlíkaté chondritů nebo „C-type“ planetky, nebo měsíce na Marsu nebo jiných planetách. Může se také ukázat jako možné extrahovat vodík ve formě vodního ledu nebo hydratovaných minerálů ze studených pastí na pólech Měsíce .

Pokud nebudou zpracovatelské a výrobní závody umístěny společně se zařízeními na těžbu zdrojů, bude nutné suroviny přesouvat po sluneční soustavě . Existuje několik navrhovaných způsobů poskytování pohonu pro tento materiál, včetně solárních plachet , elektrických plachet , magnetických plachet , elektrických iontových trysek , mikrovlnných elektrotepelných trysek nebo masových ovladačů (tato poslední metoda využívá sekvenci elektromagnetů namontovaných v řadě pro urychlení vedení materiál).

V zařízení na zpracování materiálů bude nutné příchozí materiály nějakým způsobem zachytit. Manévrovací rakety připojené k nákladu mohou obsah zaparkovat na odpovídající oběžné dráze. Alternativně, pokud se náklad pohybuje vzhledem k cíli s nízkou delta-v , pak může být zachycen pomocí hromadného chytače . To by mohlo sestávat z velké, flexibilní sítě nebo nafukovací struktury, která by přenášela hybnost hmoty do většího zařízení. Jakmile jsou materiály na svém místě, lze je přemístit na místo mechanickými prostředky nebo pomocí malých trysek.

Materiály lze použít k výrobě buď v surové formě, nebo jejich zpracováním k extrakci základních prvků. Procesní techniky zahrnují různé chemické , tepelné , elektrolytické a magnetické metody separace. V blízké budoucnosti lze k extrakci hliníku , železa , kyslíku a křemíku z lunárních a asteroidových zdrojů použít relativně jednoduché metody . Méně koncentrované prvky budou pravděpodobně vyžadovat pokročilejší zpracovatelská zařízení, která možná budou muset počkat, až se infrastruktura pro výrobu vesmíru plně vyvine.

Některé z chemických procesů budou vyžadovat zdroj vodíku pro výrobu směsí vody a kyselin . Plynný vodík lze také použít k extrakci kyslíku z lunárního regolitu , i když tento proces není příliš účinný. Dobře dostupný zdroj užitečných těkavých látek je tedy pozitivním faktorem rozvoje vesmírné výroby. Alternativně může být kyslík uvolňován z lunárního regolitu bez opětovného použití jakéhokoli dovezeného materiálu zahříváním regolitu na 4500 ° F (2500 ° C) ve vakuu. Toto bylo testováno na Zemi s lunárním simulátorem ve vakuové komoře. Až 20% vzorku bylo uvolněno jako volný kyslík. Eric Cardiff nazývá zbytek struskou. Tento proces je vysoce účinný, pokud jde o dovážené materiály spotřebované na dávku, ale není nejúčinnějším energetickým procesem na kilogram kyslíku.

Jedním z navrhovaných způsobů čištění asteroidových materiálů je použití oxidu uhelnatého (CO). Zahřátí materiálu na 500 ° F (260 ° C) a jeho vystavení CO způsobí, že kovy vytvoří plynné karbonyly . Tato pára se pak může destilovat, aby se oddělily kovové složky, a CO se pak může získat dalším ohřívacím cyklem. Automatizovaná loď tak může seškrabat volné povrchové materiály, řekněme z relativně blízkého 4660 Nereus (v delta-v termínech), zpracovat rudu pomocí solárního ohřevu a CO a nakonec se vrátit s nákladem téměř čistého kovu. Ekonomika tohoto procesu může potenciálně umožnit těžbu materiálu za jednu dvacetinu nákladů na vypuštění ze Země, ale k navrácení vytěžené rudy by to vyžadovalo dvouletý zpáteční let.

Výrobní

Vzhledem k rychlosti světelných omezení komunikace bude výroba ve vesmíru na vzdáleném místě získávání zdrojů buď vyžadovat zcela autonomní robotiku k výkonu práce, nebo lidská posádka se všemi doprovodnými požadavky na stanoviště a bezpečnost. Pokud je však rostlina postavena na oběžné dráze kolem Země nebo v blízkosti kosmického prostoru s lidskou posádkou , lze pro určité úkoly, které vyžadují lidskou inteligenci a flexibilitu, použít telerobotická zařízení .

Solární energie poskytuje snadno dostupný zdroj energie pro tepelné zpracování. I se samotným teplem lze pro základní konstrukci stabilních struktur použít jednoduché tepelně tavené materiály. Hromadná půda z Měsíce nebo asteroidů má velmi nízký obsah vody a při roztavení na sklovité materiály je velmi odolná. Tyto jednoduché, skelné pevné látky lze použít k sestavení stanovišť na povrchu Měsíce nebo jinde. Sluneční energii lze soustředit do výrobní oblasti pomocí řady řiditelných zrcadel .

Dostupnost a příznivé fyzikální vlastnosti kovů z nich učiní hlavní součást vesmírné výroby. Většina technik manipulace s kovem používaných na Zemi může být také přijata pro vesmírnou výrobu. Některé z těchto technik budou kvůli mikrogravitačnímu prostředí vyžadovat výrazné úpravy .

Výroba tvrzené oceli ve vesmíru přinese některé nové faktory. Uhlíkový materiál se objevuje pouze v malých množstvích v materiálech s měsíčním povrchem a bude nutné jej dodávat odjinud. Odpadní materiály přenášené lidmi ze Země jsou jedním z možných zdrojů, stejně jako komety. Vody běžně používané k kalení oceli bude také nedostatek a bude vyžadovat silné míchání.

Odlévání oceli může být obtížným procesem v mikrogravitaci, který vyžaduje speciální zahřívání a vstřikování nebo tváření. Vytápění lze provádět pomocí slunečního světla v kombinaci s elektrickými ohřívači. Bylo by také nutné řídit proces lití, aby se zabránilo tvorbě dutin, když se ocel ochlazuje a smršťuje.

K tvarování kovu do požadované formy lze použít různé techniky zpracování kovů. Standardní metody jsou lití, tažení , kování , obrábění , válcování a svařování . Válcování i tažení kovů vyžaduje zahřívání a následné chlazení. Kování a vytlačování může vyžadovat poháněné lisy, protože gravitace není k dispozici. Svařování elektronovým paprskem již bylo na palubě Skylabu předvedeno a pravděpodobně to bude metoda volby ve vesmíru. Obráběcí operace mohou vyžadovat přesné nástroje, které bude nutné po určitou dobu importovat ze Země.

Nové technologie výroby vesmíru se studují na místech, jako je Marshallovo národní centrum pokročilé výroby . Zkoušené metody zahrnují povlaky, které lze stříkat na povrchy v prostoru pomocí kombinace tepelné a kinetické energie a výroby dílů bez elektronového paprsku. Přístupy, jako jsou tyto, a také zkoumání vlastností materiálu, které lze zkoumat v laboratoři na oběžné dráze, budou studovat na Mezinárodní vesmírné stanici NASA a Made In Space, Inc.

3D tisk ve vesmíru

Možnost 3D tisku položek ve vesmíru má mnoho výhod oproti výrobě na Zemi. Díky technologiím 3D tisku místo exportu nástrojů a zařízení ze Země do vesmíru mají astronauti možnost přímo vyrábět potřebné položky. Díky výrobním vzorcům na vyžádání je cestování na dálku do vesmíru proveditelnější a soběstačnější, protože vesmírné výlety vyžadují méně nákladu. Vylepšena je také bezpečnost misí.

Made In Space, Inc. 3D tiskárny , která byla zahájena v roce 2014 na Mezinárodní vesmírné stanici , jsou navrženy speciálně pro nulové gravitaci nebo mikro-gravitační prostředí. Toto úsilí bylo oceněno smlouvou o inovacích a výzkumu fáze III pro malé podniky. Zařízení pro aditivní výrobu bude NASA používat k provádění oprav (včetně nouzových situací), upgradů a instalace. Made In Space uvádí výhody 3D tisku jako snadné přizpůsobení, minimální plýtvání surovinami, optimalizované díly, rychlejší výrobní čas, integrovaná elektronika, omezená interakce člověka a možnost upravit tiskový proces.

Experiment Refabricator, vyvíjený firmou Firmamentum, divizí společnosti Tethers Unlimited, Inc. na základě smlouvy NASA Phase III Small Business Innovation Research, kombinuje recyklační systém a 3D tiskárnu a předvádí demonstraci výroby uzavřeného cyklu ve vesmíru na mezinárodní Vesmírná stanice (ISS). Experiment Refabricator, který byl doručen ISS na palubu Cygnus NG-10 19. listopadu, zpracovává plastovou surovinu prostřednictvím několika cyklů tisku a recyklace, aby vyhodnotil, kolikrát lze plastové materiály znovu použít v prostředí mikrogravitace, než se jejich polymery degradují na nepřijatelné úrovně.

3D tisk ve vesmíru může navíc počítat s tiskem jídel. Program Advanced Food Technology NASA v současné době zkoumá možnost tisku potravin za účelem zlepšení kvality potravin, obsahu živin a rozmanitosti.

produkty

Předpokládá se, že existuje řada užitečných produktů, které lze potenciálně vyrábět ve vesmíru a vést k ekonomickému prospěchu. K určení nejlepších vyráběných komodit a nalezení efektivních výrobních metod je zapotřebí výzkumu a vývoje. Následující produkty jsou považovány za potenciální počáteční kandidáty:

S rozvojem infrastruktury a snižováním nákladů na montáž lze část výrobní kapacity zaměřit na rozvoj rozšířených prostor ve vesmíru, včetně větších výrobních závodů. Ty budou pravděpodobně vyžadovat použití lunárních a asteroidových materiálů, a proto budou sledovat vývoj těžebních základen.

Rock je nejjednodušší produkt a minimálně je užitečný pro stínění radiace. Může být také následně zpracován k extrahování prvků pro různá použití.

Voda z měsíčních zdrojů, asteroidů Near Earth nebo marťanských měsíců je považována za relativně levnou a snadno získatelnou a poskytuje dostatečný výkon pro mnoho výrobních a přepravních účelů. Separaci vody na vodík a kyslík lze snadno provést v malém měřítku, ale někteří vědci se domnívají, že to nebude zpočátku prováděno v žádném velkém měřítku kvůli velkému množství zařízení a elektrické energie potřebné k rozdělování vody a zkapalňování výsledných plynů. Voda použitá v parních raketách dává specifický impuls asi 190 sekund; méně než polovina vodíku/kyslíku, ale to je dostačující pro delta-v, které se nacházejí mezi Marsem a Zemí. Voda je užitečná jako radiační štít a v mnoha chemických procesech.

Keramika vyrobená z měsíční nebo asteroidové půdy může být použita pro různé výrobní účely. Tato použití zahrnují různé tepelné a elektrické izolátory, jako jsou tepelné štíty pro užitečné zatížení dodávané na zemský povrch.

Kovy lze použít k sestavení řady užitečných produktů, včetně uzavřených nádob (jako jsou nádrže a potrubí), zrcadel pro zaostřování slunečního světla a tepelných radiátorů. Použití kovů pro elektrická zařízení by vyžadovalo izolátory vodičů, takže bude zapotřebí pružný izolační materiál, jako je plast nebo sklolaminát.

Očekává se, že pozoruhodným výstupem vesmírné výroby budou solární panely. Rozsáhlá pole sluneční energie mohou být konstruována a sestavována ve vesmíru. Vzhledem k tomu, že konstrukce nepotřebuje podporovat zatížení, která by byla na Zemi pozorována, lze z poměrně menších množství materiálu sestavit obrovská pole. Vygenerovanou energii lze poté použít k napájení výrobních zařízení, stanovišť, kosmických lodí, měsíčních základen a dokonce paprskem paprsků slétnout dolů do kolektorů na Zemi mikrovlnami .

Mezi další možnosti vesmírné výroby patří pohonné hmoty pro kosmické lodě, některé opravné díly pro kosmické lodě a vesmírná stanoviště a samozřejmě větší továrny. Nakonec se zařízení pro vesmírnou výrobu mohou hypoteticky stát téměř soběstačnými a vyžadují jen minimální dovoz ze Země. Mikrogravitační prostředí umožňuje nové možnosti ve stavebnictví v masivním měřítku, včetně megascale engineeringu . Tyto budoucí projekty by mohly potenciálně sestavit vesmírné výtahy , masivní farmy se solární soustavou, kosmické lodě s velmi vysokou kapacitou a rotující stanoviště schopná udržet populace desítek tisíc lidí v podmínkách podobných Zemi.

Výzvy

Očekává se, že vesmírné prostředí bude přínosem pro produkci různých produktů za předpokladu, že budou překonány překážky, které mu brání. Nejvýznamnějšími náklady jsou překonání energetické překážky pro vynášení materiálů na oběžnou dráhu. Jakmile se tato bariéra výrazně sníží v nákladech na kilogram , může být vstupní cena pro vesmírnou výrobu pro podnikatele mnohem atraktivnější. Poté, co budou zaplaceny vysoké kapitalizační náklady na montáž těžebních a výrobních zařízení, bude muset být výroba ekonomicky zisková, aby se stala soběstačnou a prospěšnou pro společnost.

Ekonomické požadavky vesmírné výroby znamenají potřebu shromáždit potřebné suroviny za minimální náklady na energii. Náklady na vesmírnou dopravu přímo souvisejí s delta-v neboli změnou rychlosti potřebné k přesunu z těžebních míst do výrobních závodů. Přenášení materiálu na oběžnou dráhu Země z těles, jako jsou asteroidy Near-Earth , Phobos , Deimos nebo měsíční povrch, vyžaduje mnohem menší delta-v než start ze samotné Země, a to navzdory větším vzdálenostem. Díky tomu jsou tato místa ekonomicky atraktivní jako zdroje surovin.

Viz také

Reference

Další čtení

externí odkazy