宇宙 3D プリントは私たちからどれくらい離れているのでしょうか?

著者: 陳建 (中国科学院上海陶磁器研究所)
出典：中国科学普及協会

人類の宇宙探査の過程で、装備と資材の「供給ライン問題」は常に人類がさらに遠くの宇宙へ飛ぶことを妨げてきました。人類が宇宙船以外の何もない宇宙にいるとき、生き残るための最良の方法は、既存の装備と宇宙資材を利用して必要な道具を作ることです。このとき、3Dプリントは良い選択になります。

3D 印刷技術は、積層造形とも呼ばれ、デジタルモデルファイルを基に、粉末状の粒状の無機または有機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技術です。人類の宇宙探査のペースが加速するにつれ、3D プリント技術は、単純なものから複雑なものまで、そしてゼロから宇宙製造プロセスを実現するのに非常に適しています。

図 1 人類が月面基地を建設する仮想イメージ (出典: Veer Gallery)
宇宙での 3D プリントは何ができるのでしょうか?
宇宙 3D プリントは主に 2 つの問題を解決します。

（１）飛行中の宇宙船の操縦および保守を支援する。主な内容は、宇宙で宇宙船の交換部品を製造し、宇宙船の寿命を延ばし、繰り返し打ち上げにかかるコストを節約すること、宇宙で材料をリサイクルし、老朽化した材料や廃棄物を直接再利用して再製造し、新しい材料を消費することなく、さらには宇宙のゴミを使用して部品を製造することで、コストを節約し、環境に優しいこと、地上からの打ち上げが難しい超大型の光学レンズを宇宙で製造することなどです。

（２）人類の生存に適した宇宙基地を建設する。人類が新しい惑星に到着すると、食料、衣服、住居、輸送の問題を解決しなければなりません。まず、住宅問題を解決する必要があります。地元の材料を使用して、人間の居住に適した家を印刷できます。家の構造は断熱機能を備え、微小な液体の攻撃や宇宙線の放射線に耐えられる必要があります。次に、食糧の問題を考慮し、植物の成長に適したサンルームを設計して、食糧を栽培します。最後のステップは、人間が互いに訪問したり通信したりするために使用できる交通手段を印刷することです。

宇宙 3D プリントにおける主な困難は何ですか?
宇宙で3Dプリントを行うのは、決して容易ではありません。宇宙船が軌道上にあるとき、大気抵抗、太陽放射、重力勾配効果、軌道操作、姿勢制御、機器操作、乗組員の活動など、地球の重力以外の多くの要因によって乱されるため、完全な「無重力」状態ではなく、「微小重力」環境を実現できます。

同様に、新しい惑星に宇宙基地を建設する場合、考慮すべき主な要素は、真空または大気環境、太陽放射、重力などです。たとえば、月の重力は地球の1/6に過ぎず、真空環境です。火星の重力は地球の2/5であり、主に二酸化炭素ガスです。

3Dプリンターの基本設計は変わっていませんが、微小重力と大気環境には特別な配慮が必要です。そのため、現在地球上にあるほとんどの3D印刷装置が、微小重力下のさまざまな大気条件下での印刷プロセスに適しているかどうかを再調査する必要があります。条件が不完全で不完全な初期段階では、3D印刷装置をよりシンプルに設計し、要件を可能な限り削減する必要があります。

宇宙 3D プリントに適した方法は何ですか?
3D プリントのプロセスは、固体と液体を含む液滴を結合して組み合わせ、必要な 3 次元材料を作成することに他なりません。 3D プリントにはさまざまな方法がありますが (図 2)、すべての方法が宇宙 3D プリントに適しているわけではありません。宇宙ステーションや宇宙船の外部の真空および微小重力環境では、どの材料を 3D プリントできるかは明らかです。

印刷条件を可能な限り低減するという前提の下、液体を含むプロセスは基本的に排除できます。これは、液体は真空および低蒸気圧条件、特に微小重力条件下では容易に沸騰して蒸発し、元の形状を維持することが困難であるためです。したがって、液体を含む光硬化印刷法 (SLA) など、一部のスラリー印刷法は実現可能性が低くなります。

粉末の関与を必要とする印刷方法もあります。真空微小重力環境では、粉末は重力の影響を受けずに広がるのが難しく、あちこちに飛び散りやすいため、宇宙で非常に多くの小さなターゲットを制御するのは困難です。この要件では、選択的レーザー溶融（SLM）および焼結（SLS）印刷方法、電子ビーム溶融および焼結印刷方法、およびバインダージェット印刷方法（BJ）は基本的に除外できます。

図2 さまざまな3Dプリント方法の模式図。国際的に宇宙製造の主な材料形態としては、糸状材料が一般的に使用されています。宇宙3Dプリントを実現するために、主に熱溶解積層法（FDM）が使用されます。基本原理は、加熱ヘッドがホットメルト材料を臨界状態まで加熱し、液体ではなく半流動体にすることです。次に、加熱ヘッドはソフトウェア制御の下でCADによって決定された2次元幾何学的軌道に沿って移動します。同時に、ノズルが半流動材料を押し出し、材料が瞬時に固化して輪郭形状の薄い層を形成します（図3）。

この印刷の特徴から判断すると、プロセス全体で液体や粉末は発生せず、原材料は加熱条件下で半流動固体状態になります。加熱は主に抵抗線加熱であり、レーザー加熱や電子ビーム加熱などのより要求の厳しい加熱方法ではありません。この方法は最もシンプルで実現可能です。

図3 FDM印刷の原理と印刷装置（画像出典：左はWikipedia、右はVeer Gallery）
2020年5月7日、中国は初の軌道上3Dプリント実験を実施しました。これは、連続炭素繊維強化複合材料が宇宙で3Dプリントされた世界初の事例でもありました（図4）。使用される技術は熱溶解積層法（FDM）3Dプリント技術であり、使用される原材料は樹脂ベースの連続炭素繊維強化複合材料です。加熱すると樹脂プラスチックが溶けて半流動状態になり、冷却すると結合して目的の複雑な構造部品が得られます。

図4 中国初の連続炭素繊維複合材料の宇宙3Dプリント（写真提供：中国宇宙技術研究院）
宇宙基地設立に向けた有人探査<br /> 惑星に宇宙基地を建設する場合、一定の重力条件があるため、粉末印刷は比較的実現可能です。密閉された大気条件下では、液体印刷も実現できます。月と火星には、そのような環境を作り出す条件があります。

欧州宇宙機関は、Alta SPA、Monolite GmbH、Foster + Partners、サンタアナ高等研究院からなる産業コンソーシアムと協力し、D-Shape のバインダージェッティング 3D プリント技術 (図 5) を使用して、月面基地建設の実現可能性を評価しました。

まず、周囲温度20℃、真空度2KPaの密閉環境をシミュレーションして構築しました。理論計算により、この条件下では、直径200μm未満の接着剤（インク）液滴を月面土壌層（粒子サイズの73％が150μm未満、81％が250μm未満）に噴霧する限り、液滴は蒸発せず、月面土壌がネットワーク構造を形成するのに十分な時間、液体状態を維持できることが分かりました。最後に、月の火山灰を使って部品を印刷しました。テストの結果は非常に良好でした。コンクリートと同じ低多孔性と、非常に良好な適合硬度を備えています。
図5 D型プリント建物（6m×6m×6m）
私の国は、月面基地の建設をシミュレートするために3Dプリント技術の使用も検討してきました。科学技術部は2021年に「軽量かつ再構成可能な月面建設方法の研究」を重点研究開発計画に含め、「工学科学と総合的学際研究」の重点プロジェクトとした。

華中科技大学がこのプロジェクトの主任科学者ユニットとなり、中国が月に建設した月面基地のスタイルを「卵の殻のような建物」である「月虎巣」と名付けた。計画では、月の土を使って月のレンガを焼き、「ムーン・スパイダー」ロボットを使ってそれを構築し、「ムーン・ポット・ズン」のモデルを3Dプリントするという。

外から見ると、地面に直立した拡大した卵の殻のように見えます。建物としては、「月湖尊」は内部に荷重を支える「四梁八柱」がなく、卵殻の上部はドーム構造になっています。卵殻は内層と外層の2層に分かれており、中央にリブのような構造があり、安定性を高めています。

チームは、中国の伝統的なレンガ造りと石積み工法と3Dプリント工法を組み合わせ、全体をプレハブで組み立て、部分的にプリントして接続する方法で月面基地を設計・建設した。ロボットの機械アームに高エネルギービーム（太陽エネルギーまたはレーザー）を当てて月の土を溶かして焼結し、月の土を1層敷いて一度溶かしてほぞ継ぎ構造の月のレンガを焼結し、その後ロボットを使って月のレンガを組み立てることを提案した。このプロセス全体では、月面レンガを焼結することで1回限りの3Dプリントのリスクを回避し、その後、ロボットによってレンガが敷かれ、3Dプリントで補強されて構造が完成し、構造の変形を回避します。現在、国内初となる模擬月面土壌真空焼結印刷サンプルを準備し、「0」から「1」への大きな突破口を開いた。

図6「月湖尊」月面基地のレンダリング（写真提供：国家デジタル建設技術イノベーションセンター）月面基地の有人宇宙印刷計画
NASA (アメリカ航空宇宙局) は、アルテミス計画で 3D プリント技術を使用します。彼らは、月の南極にある「永遠の光」と呼ばれる山 (クレーターの縁に近い場所にあり、太陽放射が遍在し、太陽の入射角が非常に低いため、太陽エネルギー収集のための長期的な照明を提供できます。永久に影になっているクレーター領域は、水の収集にも適しています) に、宇宙飛行士とロボットの生活と作業の場を提供するために、基地 LINA (月面インフラストラクチャ資産) (図 7) を 3D プリントします。

90m²の共用中庭で区切られた各75m²のユニット3つで構成され、太陽エネルギーを直接捕捉して収穫するための太陽光発電ツリーが組み込まれます。幅8メートル、高さ9.4メートル、高さ5メートルで、放射線、月面地震、極端な温度変化、隕石などから宇宙飛行士を守ることができ、設計寿命は少なくとも50年です。最初のプロトタイプは現在、ケネディ宇宙センターで製造されています。3D プリント材料は BP-1 月面模擬物質に基づいて配合され、NASA の粒度力学およびレゴリス運用研究所によって合成されます。また、テストと検証のために、-170 〜 70 °C の温度範囲で月面環境をシミュレートします。

NASAはこのミッションを2028年に実行する計画で、このミッションによって新たな科学的・技術的発見が可能になり、月面経済を確立し、そして重要なことに、長期的な人類の居住を維持しながら火星を探査できるようになることを期待している。 NASAの目標は、このミッションを2028年に開始することです。彼らは、このプロジェクトによって最新の科学技術の成果を統合し、標準化された月面基地を確立し、人類が宇宙で長期活動に従事できるようにし、人類が火星に着陸するための準備ができることを期待しています。
図 7 3D プリントされた LINA 月面基地の想像図 (画像提供: AI SpaceFactory)
我が国は、有人月面着陸を達成した後に国際月面研究基地を建設するという、さらに野心的な計画を持っています。 2021年3月、我が国とロシアは月面基地を共同で建設するための協力覚書に正式に署名しました。現時点では、月の南極が月面基地を建設するのに最適な場所となるでしょう。月面基地を建設することによってのみ、人類は月面で最も重要な資源であるヘリウム 3 を手に入れることができると期待できます。ヘリウム 3 を制御された核融合に使用すれば、そのエネルギーは人類が 10,000 年以上使用するのに十分な量になります。さらに、月面の重力は地球の6分の1しかありません。将来、ここからロケットを打ち上げることで、宇宙船はもっと遠くまで飛ぶようになるでしょう。

結論宇宙 3D プリントは私たちからどれくらい離れているのでしょうか?この質問に対する答えは、それは手の届く範囲にあるということです。宇宙3Dプリントの継続的な開発により、かつてSF映画に存在した月面基地が現実のものとなり、我が国は近い将来、この技術を利用してかつては不可能だったより多くの科学的想像力を実現することになるでしょう。
制作：中国科学普及協会

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