3Dプリント技術の急速な発展により、宇宙船部品の「自給自足」が現実になる見込み

設計図を受け取ってから「印刷」ボタンを押すまで、レンチはあっという間に製造されます。これが無重力環境で宇宙飛行士が行う作業だと想像できますか?実は、これはすでに実現されている。アンタークティック・ベアは、NASAとアメリカン・スペース・マニュファクチャリング・カンパニーが宇宙3Dプリントシステムを共同開発する契約を締結したことを知った。最近天津で閉幕した第2回世界情報会議において、一部の研究者は、宇宙3Dプリント技術は将来、航空宇宙インテリジェント製造の分野に応用される大きな可能性を秘めていると述べた。

ゴロゴロと音を立てる「宇宙工場」
人類の宇宙探査の過程において、装備や資材の「供給ライン問題」が常に人類のより遠い宇宙への飛行を妨げてきた。 3Dプリント技術の急速な発展により、宇宙船の部品の「自給自足」が実現可能になりつつあります。

2010年以来、NASAはSpace Manufacturing社と協力して、微小重力環境で数百もの実験を実施してきました。米国も3Dプリント技術の発展を支援するため、2012年8月に「国家積層造形イノベーション連合」を設立した。 2014年、世界初の宇宙用3Dプリンターがドラゴン宇宙船に搭載されて国際宇宙ステーションに到着し、一連の宇宙特有の部品を印刷し、人類の「宇宙製造」の始まりを示しました。

実は、「宇宙製造工場」を開設するのはそれほど難しいことではありません。コンセプトは従来の印刷と一致しています。3D 印刷は、モデルファイルをベースとして、粉末金属やプラスチックなどの接着材料を使用して層ごとに印刷することでオブジェクトを構築するラピッドプロトタイピングテクノロジです。従来の 3D 印刷技術には、階層化処理、付加成形、層ごとの加熱などのプロセスフローが含まれます。

しかし、宇宙 3D プリントは単なる「ビルディングブロック」ではありません。宇宙に打ち上げられるすべての 3D プリンターには、スマートで強力な「コア」が搭載されています。宇宙飛行士は地上から宇宙通信を通じてアップロードされた部品のデジタル3次元モデルを受け取ります。3Dプリンターのソフトウェアで処理されて初めて、特定の制御データと印刷操作コードが自動的に生成されます。そのため、天と地の「ネットワーク」が続く限り、理論的にはあらゆるツールを地上で設計し、それを3Dプリンターに引き渡すことで「宇宙のものづくり」が完成することになる。

近年、宇宙3Dプリント技術は世界各国から高い注目を集めています。 2016 年 3 月、NASA はアップグレードされた 3D プリンターを国際宇宙ステーションに送り、宇宙環境でのより大容量かつ高解像度の印刷操作を可能にしました。英国バーミンガム大学は、無重力状態でも動作可能な金属 3D プリンターを開発しました。また、ドイツの研究機関も今年、無重力環境で金属ツールを「印刷」しました。

宇宙旅行の素晴らしい助っ人
前世紀末、人類の英知を結集したハッブル宇宙望遠鏡が宇宙に打ち上げられました。鏡の製造における小さな誤差により、ハッブル望遠鏡は「近視」になってしまった。当時の航空宇宙技術の状況では、ハッブル望遠鏡専用の「近視用メガネ」を取り付けるために、あと1回宇宙船を打ち上げることしかできませんでした。修理プロセス全体には地上での製造、空対地輸送、宇宙での組み立てが必要となり、この精密機器を正常な状態に戻すのに最終的に 4 年の歳月と数億ドルの費用がかかりました。

現在、宇宙3Dプリントにより、ハッブル望遠鏡が遭遇した「眼疾患」を宇宙でその場で「手術」することが可能になった。宇宙3Dプリンティングは、さまざまな機能を持つ部品を宇宙空間で直接印刷することができます。ご存知のとおり、宇宙船のサイズは主に運搬船によって制限されます。宇宙3Dプリントを利用することで、宇宙部品製造工場を建設し、「宇宙製造」を実現できます。

3Dプリント技術は航空宇宙分野で大きな応用価値と発展の可能性を示しており、航空宇宙製品の生産サイクルを短縮し、コストを削減するだけでなく、製品の性能をさらに向上させます。新しい生産方法として、宇宙 3D プリントで製造された製品は、従来の製造プロセスでは完了するのが難しいいくつかのタスクを実行できます。 3D プリントは、部品の片面は高温に耐える必要があり、もう片面は高い強度が必要であるなどの「厳しい要件」を満たすために使用できます。

昨今、人々は「荷物を軽くして旅行する」ことに注目しており、これは特に宇宙飛行に当てはまります。 3Dプリンターを宇宙に持ち込めば、何万もの部品を運ぶという大きな手間が省け、わずか数キロの3Dプリント「カートリッジ」で十分です。

さらに、宇宙 3D プリント技術により、宇宙飛行の地上への依存度を大幅に低減できます。 6か月ごとの宇宙補給と比較して、3Dプリントはわずか数時間で交換部品を製造できるため、宇宙ステーションの運用とメンテナンスの効率の柔軟性が大幅に向上し、宇宙ステーションの地上システムへの依存が軽減されます。

現在、宇宙での仕事や生活に必要なアンテナや太陽電池パネルなどの部品や必需品を直接印刷する宇宙製造システムの設計が始まっています。 NASA のジェット推進研究所は、新しい技術を使用してさまざまな金属原材料を互換性のあるものにし、宇宙の応用環境に適した部品を製造することを目指して、標準的な宇宙 3D 印刷プロセスを開発しています。将来的には、宇宙用3Dプリンターでさまざまな工具や部品、日用品を小規模に生産できるようになり、有人宇宙飛行や宇宙探査の標準装備となるでしょう。

宇宙ゴミを宝物に変える
宇宙を旅する宇宙飛行士が普通に水を飲めるように、水の表面張力を利用した無重力ウォーターカップも設計され、宇宙の無重力状態で水がどこにでも浮いてしまう問題を巧みに解決している。しかし、このような独創的な製品を地上で製造し、「スペースエクスプレス」で宇宙に打ち上げるには、間違いなくコストがかかります。

宇宙 3D プリントの出現は、人類の宇宙旅行において重要な役割を果たすでしょう。

NASA はかつて、宇宙で直接衛星全体を印刷し、「宇宙工場」で製造、組み立て、軌道に乗せるという構想を描いていた。宇宙 3D プリント技術は、人類が他の惑星に着陸するために必要なシェルターやツールを作成することもできます。欧州宇宙機関は、月面基地の建設に 3D プリント技術の使用を検討しており、NASA は火星に 3D プリントの居住地を作成するための特別なコンテストを開始しました。

宇宙 3D プリントのさらに魔法的なところは、魔術師のように「崩壊を魔法に変える」ことができることです。宇宙で製造された製品は、破損しても、溶かして原材料に戻すだけで再利用できます。 American Space Manufacturing は、再利用可能な宇宙用 3D プリント材料の研究を行っています。米国防総省の国防高等研究計画局が実施するフェニックス研究プロジェクトは、古い衛星を解体し、その部品を使って新しい宇宙機器を組み立て直すことで宇宙ゴミを除去することを目的としている。将来的には、宇宙 3D プリンティングでは、地球軌道上の機能停止した衛星を利用したり、惑星上の現地の材料を直接使用して「宇宙製造」を行うことも可能になります。

宇宙 3D プリンティングでは、さまざまな部品を印刷できるだけでなく、おいしい食べ物も印刷できます。宇宙 3D プリンターを使用すると、あらゆる種類の食用原材料から栄養価の高い多様な食事を印刷することができ、宇宙飛行士は宇宙で「シェフ」になった気分を味わうこともできます。

もちろん、3D プリントが本当に宇宙に進出するためには、一連の技術的課題を解決する必要がありますが、最大の障害は「無重力」です。宇宙環境では材料や接着剤が「飛ぶ」ため、プリンターの構造を特別に設計する必要があります。さらに、宇宙プリンティングによって発生する排気ガスの拡散などの問題をどのように解決するかについても、さらなる研究と改善が必要です。

出典: 解放軍日報

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