ウェストバージニア大学、微小重力下での二酸化チタンフォームの3Dプリントを研究

この投稿は Bingdunxiong によって 2023-11-3 07:35 に最後に編集されました

2023年11月3日、アンタークティックベアは、ウェストバージニア大学（WVU）が、学生と教師が3Dプリント技術を使用して宇宙船、月、火星での長期探査と生活をサポートする方法を研究していると発表したことを知りました。

△この研究では、二酸化チタンフォームをモデルシステムとして使用し、UVカットまたは光触媒材料を製造するための現場での資源利用における積層造形の可能性を探っています。大学の微小重力研究チームのメンバーは、3Dプリントは、これらのアイテムを地球から輸送する必要を回避し、現場で主要な材料と機器を製造する方法であると考えています。チームの最近の実験は、紫外線遮断から浄水まで幅広い用途が期待される素材である二酸化チタンフォームを使用した3Dプリントに対する微小重力の影響に焦点を当てています。

△ 工学部の学部生、レニー・ガルノーさんは、微小重力または無重力状態での動作向けにカスタマイズされた3Dプリンターに取り組んでいる。ウェストバージニア大学ベンジャミン・M・スタットラー・カレッジの機械・航空宇宙工学博士課程の学生で、この論文の筆頭著者であるジェイコブ・コルドニエさんは、「宇宙船は無制限に資源を運ぶことはできないので、手持ちの資源を維持・リサイクルする必要がありますが、3Dプリントはそれを可能にします」と語った。

彼はさらにこう付け加えた。「必要なものだけを印刷できるので、無駄が減ります。私たちの研究では、3D プリントされた二酸化チタンフォームが宇宙空間での紫外線から保護し、水を浄化できるかどうかを調べています。また、フォームが 3D プリンターのノズルから噴射され、基板上に広がる際に重力が果たす役割についても理解できます。微小重力下で印刷すると、フィラメントの形状に違いが見られることがわかっています。印刷プロセスで書き込み速度や押し出し圧力などの他の変数を変えることで、これらすべてのパラメータがどのように相互作用してフィラメントの形状を調整するかをより明確に把握できます。」

共著者には、現役および元学部生の Kyleigh Anderson、Ronan Butts、Ross O'Hara、Renee Garneau、Nathanael Wimer が含まれます。機械・航空宇宙工学科の名誉教授ジョン・クールマン氏と准教授兼研究担当副ディレクターのコンスタンティノス・シエロス氏もこの論文に貢献した。

△研究成果はACS Applied Materials and Interfaces誌に「光触媒用途のための微小重力下での二酸化チタンフォームの直接描画」と題して掲載された。
微小重力環境での二酸化チタンフォーム 3D プリント

シエロス氏は2016年からウェストバージニア大学の微小重力研究チームの二酸化チタンフォームに関する研究を監督している。この作業は当初、ボーイング727機内で行われ、放物線飛行中の無重力状態の航空機内で、学生たちはわずか20秒でガラススライド上に発泡糸を印刷した。

「宇宙では、1キログラムの材料を輸送するだけでも非常に費用がかかり、保管スペースも限られているため、私たちは『現地資源利用』と呼んでいる方法を検討しています」とシエロス氏は語った。「月には、発泡体の製造に使用している二酸化チタンに非常によく似た鉱物の鉱床があることが分かっています。そのため、地球から宇宙に機材を輸送する代わりに、月でこれらの資源を採掘し、ミッションに必要な機材を印刷するという考えです。」

紫外線は宇宙飛行士、電子機器、その他の宇宙資産に脅威を与えるため、この装置には紫外線シールドも含まれています。

「地球上では、大気が紫外線のほとんどを遮断するが、すべてではない。だから日焼けするのだ」とコルドニエ氏は付け加えた。「だが宇宙や月では、宇宙服や宇宙船、居住施設にコーティングを施す以外に、紫外線の影響を軽減するものはない」

二酸化チタンフォームの紫外線遮断効果を測定するために、シエロス氏は次のように説明しました。「紫外線波長から可視スペクトルまでの範囲の光を照射しました。印刷した二酸化チタンフォームフィルムを通過する光の量、反射される光の量、サンプルに吸収される光の量を測定しました。サンプルに当たる紫外線のほとんどがフィルムによって遮断され、可視光はほとんど透過しないことが分かりました。フィルムの厚さがわずか 200 ミクロンであっても、当社の素材は紫外線を遮断するのに効果的でした。」

コルドニエ氏は、この泡には光触媒特性もあり、光を利用して化学反応を促進し、例えば空気や水を浄化できると指摘した。

△泡の様々な特性と挙動が特徴付けられました。具体的には、200ミクロンの厚さのフォーム層が紫外線の99.8%を遮断します。
「私たちは、研究をできるだけ早く学生のキャリアに組み込めるよう、一生懸命取り組んでいます」とシエロス氏は言う。「ハードウェアを専門とする学生グループがあり、3Dプリンターを製作しています。私たちの学生は、材料開発、自動化、データ分析を担当しています。非常に競争率の高いNASAの助成金2件の支援を受け、学部生は研究プロセス全体に関与しています。彼らは査読付きの科学論文を発表し、会議で発表しています。」

総合すると、この研究は、将来の宇宙ミッションにおいて、付加的に製造された二酸化チタンフォームが紫外線シールドや浄水用光触媒として使用される可能性を実証しています。今後の研究では、宇宙での付加製造装置の性能を地球上で製造されたものと比較すること、また、重力、印刷パラメータ、後処理が二酸化チタンフォームフィルムの特性に与える影響を理解することに重点を置き、効率的で持続可能な宇宙製造プロセスを開発する必要があります。これは、長期的な宇宙飛行と資源管理にとって非常に重要です。

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