中国科学院宇宙応用センター：3Dプリントを宇宙に持ち込む

この投稿は、Dongfang Xiong によって 2016-4-13 09:28 に最後に編集されました。

プロジェクトリーダーが宇宙3Dプリントのテスト計画を現地で紹介
3月初旬、フランスのボルドーで93回の放物線飛行試験が実施された。

実験中、中国科学院宇宙付加製造技術実験チームは、独自に開発した装置とプロセスを使用して、微小重力環境下で毎回22秒間、対象サンプルを印刷することに成功しました。

この実験は、我が国が微小重力環境で積層造形（3Dプリント）技術の実験検証を行った初めての事例でもあり、将来3Dプリンターを宇宙へ移送するための重要なデータと経験を提供するものとなります。

放物線飛行機に印刷された「中国科学院」
従来のアップリンク燃料補給の限界

長期にわたる宇宙探査ミッションの成功には、補給資源が重要な保証となります。しかし、技術的な制限により、宇宙でのさまざまなニーズを満たすには、地上から打ち上げるロケットや宇宙船でしか資源を輸送できません。これには長い時間がかかるだけでなく、コストもかかります。将来人類が火星などのより遠い目的地を探索する場合には、この資源補充方法は非現実的です。

これらの部品を宇宙で直接製造することができれば、人類の宇宙探査技術に革命的な進歩をもたらすことになるでしょう。

「従来のアップリンク補給は、主に地上から宇宙に打ち上げられる貨物宇宙船などの輸送手段を通じて行われています。この方法の欠点は、補給サイクルが長いことです。宇宙で機器が故障した場合、交換部品がなければ、地上の研究者がそれを製造し、次回輸送するまで修理するしかありません。」中国科学院宇宙応用工学技術センターの研究員で、この実験の技術ディレクターである王功氏は、中国科学日報の記者とのインタビューで語った。

我が国の宇宙ステーションは2020年頃に完成し、軌道上で10年以上運用される予定である。宇宙ステーションの施設の健全な運用を維持し、大規模な科学研究や応用研究を支えるためには、継続的な資源の補充が必要である。軌道上の保管スペースには制限があるため、ほとんどの資源は貨物宇宙船によって補充する必要があります。アップリンク電源への過度の依存は、宇宙ステーションの機器が長期間停止する原因となる可能性があります。

王宮氏は、宇宙で起こり得るさまざまな状況に対して通常は事前に計画が立てられるが、歴史が証明しているように、予期せぬ状況が頻繁に発生する。緊急事態の場合、貨物宇宙船や打ち上げロケットの準備サイクルは長く、打ち上げのタイミングを待つ必要があり、緊急時のメンテナンスは非常に困難になると述べた。スペースシャトル「コロンビア号」の事故調査報告書によると、爆発前に宇宙飛行士は隠れた危険と解決策を特定していたが、軌道上で必要なスペアパーツや工具が入手できなかったため、それらを実行できなかったという。

「宇宙探査ミッションで起こり得るさまざまな状況に万全の備えをしたいなら、製造、物流、打ち上げ、軌道上保管にかかるコストは莫大なものになるだろう」と放物線飛行試験システムの主任設計者、劉一飛氏は語った。データによると、国際宇宙ステーションには現在、10億ドル以上の価値があるさまざまなスペアパーツやツールが保管されている。

さらに、現在宇宙に配備されている宇宙船、衛星、ペイロードはすべて、厳しい打ち上げ環境に耐える必要があります。この約 10 分間の持続時間は、軌道上での寿命と比較するとほとんど無視できるほどですが、十分な強度を確保するために、それらは「厚すぎる」場合が多く、実際には費用対効果が高くありません。

「3Dプリント技術を使って宇宙で必要な部品を印刷すれば、タイムリーな修理ができるだけでなく、新しいペイロードを製造したり、より多くの科学実験を行ったりすることもできる」と王宮氏はこの「未来の技術」について語る際、非常に興奮している様子だった。

無重力環境でのテストクルー宇宙製造技術

「3Dプリント技術は主にデジタル化と自動化に基づいており、宇宙飛行士に過度の作業負荷をもたらすことはありません。3Dプリント技術を宇宙ステーションに移すことができれば、メンテナンスに必要な部品をプリントできるだけでなく、独自の衛星をプリントすることもできます。将来的には、パネルやレンガなどの建築資材をプリントして、他の惑星に家を建てることも可能になるかもしれません。」王宮氏は、この技術の未来は非常に美しいと想像しています。

さらに、将来の3Dプリンティング技術により、宇宙で大型構造物を直接製造できるようになり、革新的な応用プロジェクトの展開が可能になります。打ち上げ環境を考慮する必要がなければ、より繊細で洗練された製品を製造することができます。

この技術は理論的に有効です。宇宙3Dプリンター技術は、事前に準備して故障の可能性が低い大量のスペアパーツを軌道上に保管する必要がなく、宇宙ミッションの実際の状況に基づいてオンデマンドで製造できるため、輸送リソースと軌道上の保管スペースを大幅に節約できます。一定量の原材料を保管するだけでよく、宇宙積層造形技術や材料リサイクル技術によってさまざまな可能性に対応できます。

目標がどんなに遠くても、必ず最初の一歩を踏み出さなければなりません。王公氏のチームはこの理論を一歩一歩現実のものにしつつある。そのため、93回の放物線飛行テストが行われ、微小重力下でも我が国の設備で必要な製品を印刷できることが証明されました。

「宇宙では物質は希少な資源だ。貨物宇宙船からの補給物資に加え、他の物質も可能な限り活用すべきだ」と中国科学院宇宙応用センターの准研究員チェン・ティエンジン氏は中国科学日報に語った。現在、3Dプリント材料のリサイクル技術を研究しています。将来的には、宇宙飛行士の水袋など、宇宙ステーション内の廃棄物の一部を宇宙3Dプリントの原料として再利用できるようになるかもしれません。

地上から供給された材料はリサイクル材料と組み合わされ、必要な工具やスペアパーツを必要に応じて迅速に製造することができます。

宇宙3D技術は我が国だけでなく、米国、欧州、その他の国でも提案されています。 NASAは、軌道上積層造形技術を、有人火星着陸やその他の深宇宙探査ミッションを支える戦略的キーテクノロジーと位置付けており、この目的のために、いくつかの技術の研究を展開しています。その中で、Made in Spaceが開発したFDMプラスチック3Dプリンターは現在、国際宇宙ステーションでテストされています。同時に、NASAは最近、スタンフォード大学に宇宙での生体材料の3Dプリントに関する研究を委託した。 ESAは当初、2015年に国際宇宙ステーションに3Dプリンターを送る予定だったが、まだ準備段階にある。

できるだけ早く突破口を開くために多国間の協力

この放物線飛行試験は、宇宙応用センターとドイツ航空宇宙局（DLR）との二国間協力協定の枠組み内で、DLRが中国科学院宇宙応用センターに提供した放物線飛行試験の機会です。

「3Dプリントは、その高い効率性と柔軟性により、宇宙製造技術における重要なプロセスの一つとなっている。しかし、宇宙環境の特殊性により、地上の3Dプリント技術をそのまま適用することは難しい。材料、設備、制御方法を宇宙の特殊な環境に適応させる必要があり、多くの実験と探究が必要だ。もちろん、地上と宇宙の3Dプリント技術は、間違いなく互いに学び合い、促進し合うことができる」と王功氏は記者団に語った。

「今回の実験では、NASAがこれまで試したことのない繊維強化複合材料を含む5つの材料と2つの製造工程を微小重力環境で検証・検討し、微小重力環境におけるさまざまな材料と工程の特性データを取得しました」と劉易菲氏は紹介した。

「宇宙での積層造形は、材料、流体、プロセス、制御など、複数の分野にまたがる複雑な技術です。我が国は米国よりも遅れて宇宙積層造形技術の研究を開始しましたが、研究はより積極的で、概念と技術の面で遅れをとっていません。中国科学院は多分野にわたる優位性を持ち、常に基礎研究を重視してきました。宇宙材料と流体の分野で大量の研究データを蓄積し、技術検証を十分に行うためのさまざまな実験条件を備えています。今回の実験では独自に開発した設備を使用し、主な設備は中国科学院宇宙応用センターと中国科学院重慶智能技術研究所が共同で開発しました。次のステップは、国内のより有利な部門と連絡を取り、共同研究を求め、宇宙積層造形製品の強度、精度、速度の向上に重点を置き、近い将来、より大きな飛躍を遂げることを目指します。」と王宮氏は自信たっぷりに語った。

出典: ScienceNet www.sciencenet.cn

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