UC が亜空間軌道でリソグラフィー 3D プリンターをテスト、宇宙探査のルールを変えると期待

将来の深宇宙ミッションでは、地球から数百万マイル離れた宇宙船の部品に亀裂が入れば、大惨事につながる可能性が大いにあります。しかし、カリフォルニア大学バークレー校の研究チームはすでにその状況を変えるべく取り組んでいる。 2024 年 6 月 8 日、同社の最先端の 3D プリンター SpaceCAL は、ヴァージンギャラクティックのミッション 07 に乗って、短いながらも画期的な宇宙への旅に出ました。わずか 140 秒間の弾道飛行で、プリンターはテスト部品の製造に成功し、宇宙でのオンデマンド製造の可能性を実証しました。この能力は、現在の能力をはるかに超える将来のミッションにとって非常に重要になります。
△VSS Unity上のSpaceCAL 3Dプリンター。2024年6月8日の打ち上げを待っています。画像提供：Virgin Galactic。
プロジェクトリーダーは、バークレー大学機械工学部の博士課程および大学院生であるテイラー・ワデル氏です。ワデル氏の輝かしい経歴には、NASA ケネディ宇宙センターでの経路計画エンジニアとしてのキャリアが含まれており、そこでは NASA のスペース・ローンチ・システム (SLS) ロケットのハードウェア設計からエンジニアリングアプリケーション用の仮想現実 (VR) ツールの開発まで、さまざまな最先端プロジェクトに携わりました。
バークレーでは、ウォードル氏は、革命的な 3D 印刷プロセスである計算軸リソグラフィー (CAL) の先駆的な研究で知られるヘイデンテイラー教授の指導の下、SpaceCAL プロジェクトを率いています。彼らは協力して宇宙での製造の限界を押し広げ、将来の深宇宙ミッションに向けて重要な部品や医療用品のオンデマンド印刷を実現することを目指しています。
△ CAL（Computational Axial Lithography）印刷技術のフライトハードウェアバージョン。画像提供：Taylor Waddell（LinkedIn経由）
SpaceCAL の歩みは、成長を続ける宇宙製造産業の一環です。宇宙での 3D プリントは目新しいものではないが (結局のところ、国際宇宙ステーション (ISS) にはプリンターが搭載されている)、ワデル氏とバークレーのチームはさらに先へ進みたいと考えている。彼らは、宇宙で印刷できる材料や物体の範囲を拡大することで、地球への依存をさらに減らすことを目的とした次世代技術、SpaceCAL の完成に取り組んでいます。この技術の潜在的な応用範囲は、宇宙船の重要な部品の製造から宇宙飛行士の医療用品の製造まで多岐にわたります。
△ヴァージン・ギャラクティックの打ち上げ場にいるSpaceCALチームのメンバー（左から右へ）：ショーン・チュー、ジェイク・ニッケル、オースティン・ポーティナーズ、テイラー・ワデル、ブライアン・チャン。画像提供：Virgin Galactic。
ヴァージンギャラクティックのスペースシップツー艦隊の一部で、商業宇宙観光と科学研究用に設計されたヴァージンスペースシップツー (VSS) ユニティ宇宙機に乗って弾道宇宙空間へ 140 秒間の短い旅をしている間、SpaceCAL は 4 つのテスト部品を自律的に印刷し、後処理しました。これらには、スペースシャトルのミニチュアモデルや、小型で非常に精巧なモデルである人気の 3D プリントされた Benchmark Benchy フィギュア (3DBenchy) が含まれます。これらのプリントに使用される材料は、光開始剤の存在下で光にさらされると硬化する液体プラスチックである PEGDA です。

「SpaceCAL は、過去の放物線飛行テストで微小重力下で良好なパフォーマンスを示しましたが、まだ証明すべき点がいくつかあります」とワデル氏は語ります。「NASA の Flight Opportunities Program の資金提供を受け、バークレー工科大学とバークレー宇宙センターが支援するこの最新のミッションにより、宇宙旅行用のこの 3D 印刷技術を検証することができます。いつの日か、宇宙船の部品やツールから、乗組員用の新しいコンタクトレンズや歯冠まで、あらゆるものの製造にこの技術が利用できるようになることを願っています。」
このミッションの成功は、実際の宇宙環境でのテストにより、プリンターがより野心的なミッションに対応できることが実証され、プロジェクトにとって大きな節目となります。
△ SpaceCAL によって印刷されたスペースシャトルモデルは、微小重力環境で浮遊し、完全に後処理されています。画像提供：Taylor Waddell。
計算軸リソグラフィー (CAL)
SpaceCAL の背後にある技術は、2017 年にバークレーとローレンスリバモア国立研究所 (LLNL) の研究者によって開発された計算軸リソグラフィー (CAL) です。
CAL テクノロジーの原理は、コンピューター断層撮影 (CT) テクノロジーを逆に応用して体積製造を実現し、フォトポリマー樹脂の体積を複数の角度から露光して構造を製造し、各角度で光フィールドを更新することです。必要な光フィールドは空間および/または時間的に多重化され、ターゲット樹脂体積内の総エネルギー量が樹脂をユーザー定義の形状に架橋します。これらの光場は静的または動的であり、光場の位相または振幅（またはその両方）を制御して必要な強度分布を提供する空間光変調器（SLM）によって生成できます。

実際、CAL はわずか 20 秒で部品を印刷できます。しかし、CAL が特別なのは、その速度だけでなく、微小重力下で効果的に動作する能力も備えている点です。このため、宇宙用途に最適です。
「CAL により、最初は無重力ミッションで、そして今度はこの宇宙飛行で、地球上では印刷不可能な部品を微小重力下で印刷できることを実証することができました」とウォードル氏は語った。
これまでに、CAL はシリコン、ガラス複合材、生体材料など、地球上に存在する 60 種類以上の材料を印刷できることを実証しました。ワデル氏は、この多用途性は客室と乗務員の両方にとって有益だと語った。
「カプセルがあれば、宇宙船が故障しても、O リングや機械ブラケット、さらにはツールを印刷することができます」と専門家は指摘します。「しかし、CAL は乗組員の修理も可能にします。義歯、皮膚移植、レンズを印刷したり、宇宙飛行士用の個人用救急薬を印刷したりすることもできます。これもこれらのミッションで非常に重要です。」
実際、LLNL は国際宇宙ステーションで CAL 技術を使用してバイオプリンティングをテストするために NASA から資金提供を受けています。このミッションの長期的な目標は、宇宙で人間の臓器を印刷し、移植のために地球に持ち帰ることである。
△ NASAエイムズ研究センターのSpaceCALチームメンバー（左から右へ）：ディロン・バルク、ショーン・チュー、アメーラ・エルゴネミー、ブライアン・チャン。画像提供：Taylor Waddell。
ウォードル氏は、このプロジェクトの成功は、ヘイデン・テイラーのナノスケール製造研究室の同級生から、ミッションの成功を確実なものにしたヴァージン・ギャラクティックのエンジニアまで、多くの人々の貢献によるものだと考えている。ウォードル氏はまた、指導教官のテイラー教授が、彼が情熱を注ぐ分野を探求する自由を与え、最も有望と思われる方向にプロジェクトを導いてくれたと語った。
このプロジェクトは、NASAからの140万ドルの助成金とエンジニアリング支援によって実現しました。さらに、ヴァージン・ギャラクティックはプロジェクトを次のレベルに進める上で重要な役割を果たしました。このミッションの成功を受けて、ワデル氏と彼のチームは、NASA と緊密に協力して CAL 技術をさらに開発したいと考えています。
宇宙探査が進むにつれて、宇宙で部品や物資を製造する能力がますます重要になります。宇宙飛行士の歯冠を印刷する場合でも、緊急医療処置用の手術器具を印刷する場合でも、可能性は無限であり、SpaceCAL はまさにその用途に最適なプリンターかもしれません。
△SpaceCALミッションパッチ。3Dプリンターが宇宙に進出したのはこれが初めて。画像提供：KirkMendoza。

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