「中国宇宙科学技術」が月の土壌を模擬した3Dプリントの緻密化成形研究

出典：中国宇宙科学技術

01 記事の紹介

1. 研究の背景

月は鉱物資源やエネルギー資源が豊富で、715,000トンのヘリウム3、70兆トンの二酸化チタンなどの鉱物資源が含まれている可能性があり、月宇宙通信、探査、科学実験などの重要な立地資源を有しています。月面に前哨基地を建設することは、深宇宙探査における新たな領域となっている。地球の強い重力のため、従来の輸送方法で質量を月に送るのは非常に高価です。現地資源利用 (ISRU) は、月探査を持続可能にしながら長期的な現地探査をサポートする技術を開発するための研究の優先事項となっています。さらに、高真空、低重力、大きな温度差など、月の過酷な環境では、インフラの構築には無人かつ自律的なアプローチが必要です。付加製造（AM、3D 印刷とも呼ばれる）システムは、このような過酷な環境に対応できます。月には大気の影響を受けず、直射日光が当たる場所が数多くあり、特に極地では、いくつかのクレーターの縁が一年中ほぼ一定の日光を浴びています。月の土は月の表面の上部の塵層で、厚さは約 4 ～ 15 メートルです。太陽光と月の土壌は、月の表面で直接利用できる現地資源です。太陽光を集中させて月の土壌を溶かすことは、月面基地建設の有望な解決策と考えられている。太陽光と月の土壌を有効活用することで、月に運ぶ質量を大幅に減らし、月面基地の建設コストを下げることができます。星の土と太陽光は、水を抽出し、熱とエネルギーを蓄えるためにも使用されます。

図1 太陽光を集光して月の土を溶かす概念図。月面基地建設の原料として月の土を利用する可能性を探るため、国内外の学者らはアポロや嫦娥5号などの宇宙ミッションで採取された実際の月の土サンプルと、地球上で準備されたさまざまな種類の模擬月の土を使った成型技術研究を行ってきた。 NASAは初めて、アポールミッションで採取した40gの月面土を基材として使用し、圧縮強度約75MPaのコンクリートサンプルを調製しました。しかし、この方法は水と添加剤の資源に大きく依存しています。周知のように、月面では水と添加剤の入手が比較的困難です。第二に、1.0〜1.2kPaの真空環境では、月面土ベースのセメント水和材料中の水分が急速に蒸発し、基材の施工性と機械的性質に影響を与えます。 Toutanji らは、月面建設に使用するコンクリートを製造するために、硫黄ベースの混合物 (主な骨材として JSC-1 月面土壌模擬物と二酸化硫黄を使用) の使用を研究しました。 CesarettiらはD字型法を用いて生息地の壁構造をその場で作製し、印刷されたブロックの圧縮強度は17～20MPaであった。 Meurisse らは、太陽光焼結中のサンプルの熱応力に対するさまざまなスキャン戦略の影響を研究しました。12 個のサンプルの機械的特性試験の結果、平均圧縮強度は (2.31±0.3) MPa、平均ヤング率は (0.14±0.06) GPa でした。王超氏らは、模擬月の土壌を静電輸送して集中的に溶融するシステムを構築し、このシステムの実現可能性を検証した。王睿は太陽光による溶融実験を行い、月の土壌成形をシミュレートし、シミュレートされた月の土壌の印刷パラメータ（層の高さ 3.5mm、トラック間隔 2.5mm、スポット移動速度 0.5mm/s）を取得しました。最近、研究者たちは、模擬月の土壌を使用して、月の現地資源の付加製造における選択的レーザー溶融 (SLM) の実現可能性を検証しました。粉末床内の模擬月土壌粒子は、高エネルギービームレーザーの照射下で溶融され、その後固化されて目標サンプルを形成します。 Goulasらは、選択的レーザー溶融法で印刷した模擬月の土壌サンプルの密度と機械的特性をテストしました。サンプルの相対多孔度は44%～49%で、サンプルの最大圧縮強度は(4.2±0.1)MPaに達しました。しかし、上記方法で形成されたサンプルには、気孔、亀裂、球状化などの欠陥が多く存在し、耐荷重性のあるコンパクトな構造を構築することができません。

図 2 模擬月の土壌の選択的レーザー溶融の実験システム。太陽光集中溶融と選択的レーザー溶融の原理は同じですが、違いは光源（光強度分布、波長、ビーム品質など）にあります。模擬月の土壌の可視光と近赤外光スペクトルの吸収率はほぼ同等です。レーザーの強度分布を変えることで、ガウススポットによる欠陥を改善できます。同時に、レーザースポットのサイズを変えることで太陽光の光源を模擬できます。基礎構造の耐荷重構造の強度要件を満たすために、月面土壌成形窓を研究し、レーザーを使用して太陽光の集中点をシミュレートし、成形プロセスの緻密化の影響要因を調査します。模擬月土壌CUG-1Aを材料として選択的レーザー溶融模擬月土壌実験システムを構築し、レーザー出力、走査速度、第1層粉末厚さが単一トラックの形成に与える影響を研究した。

2. 記事の要約

月面土壌のその場での3Dプリント（付加製造）により、月面基地のその場での建設や主要部品のその場での製造が可能になり、月面探査ミッションのコストとリスクを大幅に削減できます。月面土壌を模擬した選択的レーザー溶融実験システムを構築し、レーザー出力、スキャン速度、第一層粉末の厚さがサンプルの緻密化に与える影響を調べるために、単一トラック形成実験を実施しました。また、各トラックの幅と深さも測定しました。結果は、単一トラックの幅がスキャン速度の増加とともに減少し、ほぼ一定になることを示しています。同じレーザー出力では、単一のトラックの深さは粉末の最初の層の厚さとともに増加します。単一トラックの深さは最初は増加し、その後スキャン速度が増加するにつれて減少します。単一の溶融チャネルの密度は 2.5g/cm3 に達し、相対密度は 86% です。スキャン速度が上昇しても、異なる層厚の単一トラック密度は 1.7 g/cm3 で安定します。最初の粉末層が薄いほど、単一トラック密度は他の層よりもわずかに高くなります。これらのデータは、現場施工技術にとって重要なサポートとなります。

3. まとめと展望

模擬月土壌CUG-1Aを用いて、太陽光を集光して月土壌を溶融する現象を模擬する月土壌粉末の選択的レーザー溶融実験システムを構築し、単軌条成形実験を実施しました。主な成果は以下のとおりです。

1) 単一トラックの幅は、第 1 粉末層の厚さとレーザー出力の増加とともに増加します。レーザースキャン速度の増加により、単一トラックの幅が徐々に減少します。

2) 同じレーザー出力では、単一トラックの深さは粉末の最初の層の厚さとともに増加します。単一トラックの深さは、スキャン速度の増加とともに最初は増加し、その後減少します。これは主に、レーザー浸透深さと溶融粘度の複合効果の結果です。

3) 異なるレーザー出力と異なる層厚の単一トラック密度は、スキャン速度の増加とともに指数関数的に変化します。単一トラック密度は 2.5g/cm3 に達し、その場合相対密度は 96% になります。スキャン速度が上昇しても、異なる電力と第 1 層の粉末の厚さの単一トラック密度は 1.7 g/cm3 で安定します。異なる電力条件下では、粉末の第 1 層の厚さが薄い場合、単一トラック密度は他の層よりもわずかに高くなります。

02 著者について

Liu Yiwei 氏は南京理工大学の博士課程の学生です。彼の研究分野は、スターソイルの原位置構築と製造です。

姚偉氏は中国宇宙科学院の千学森宇宙技術研究所の研究員です。彼の研究分野は地球外資源の利用です。

Liu Yiwei、Zhang Xian、Wang Chao、et al. 模擬月面土壌の3Dプリント緻密化に関する研究[J]. 中国宇宙科学技術、2023、43(6): 66-73。

LIU YW、ZHANG X、WANG C、et al.3Dプリントによる月面レゴリス模擬物の緻密化[J].中国宇宙科学技術、2023、43(6):66-73(中国語)。

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