三菱電機、衛星アンテナ向け軌道上3Dプリント技術を開発

2022年5月30日、Antarctic Bearは、日本の多国籍電子機器メーカーである三菱電機が、宇宙軌道上で衛星アンテナを自由に3Dプリントできる新しい方法を提案したことを知りました。

この新技術の鍵となるのは、真空中での製造に合わせて特別に作られただけでなく、太陽の紫外線（UV）によって光重合できる特殊な液体樹脂です。さらなる研究開発により、このプロセスは宇宙での高利得アンテナ反射鏡や、衛星フェアリングよりもはるかに大きな大型部品の製造を可能にする可能性があります。
三菱電機は、「この技術は、小型で低コストの宇宙船に大きな構造物を搭載するという課題に対処するために特別に開発された。従来の設計では、打ち上げや軌道投入のストレスに耐える必要があるが、樹脂ベースの軌道上製造により、従来の設計よりも宇宙船の構造を薄く軽くすることができ、衛星の総重量と打ち上げコストを削減できると期待されている」と述べた。
△軌道上にある 3D プリント衛星アンテナの外観のレンダリング。画像提供：三菱電機。
「スプリング型」衛星の代替品？
現在、衛星アンテナは、フルサイズで軌道上に打ち上げられるか、またはバネ/モーターで駆動されて所定の位置に展開されることが多いです。三菱電機は、前者は占有スペースが大きいため打ち上げコストが高くなる傾向があるが、後者は機械的に複雑で故障しやすいと考えている。同時に、小型衛星ではサイズの制限により、大型の高利得アンテナを配備することができません。
「小型衛星」や「キューブサット」と呼ばれることが多いこれらのデバイスの人気が高まっていることから、同社は信号中継機能が強化された衛星が緊急に必要であることを認識しました。三菱電機は最近の技術発表会でこの問題に対する新しい解決策を具体的には明らかにしなかったが、同社の研究者らは2019年にその真の能力を明らかにする論文を発表した。
研究の中で、エンジニアらはマサチューセッツ工科大学（MIT）とNASAジェット推進研究所のチームがインフレータブルアンテナの実験を行った方法を強調した。チームは、これらのデバイスの収納容積と最終展開直径の比率が高いことを認めているが、衛星アンテナはXバンドを超える周波数に対する表面性能が不足している。
三菱電機の研究者らは、真に最適化された小型衛星を実現するには、アンテナを折りたたんだり収縮させたりする必要がないようにする必要がある、と述べた。チームが取った代替案は、3Dプリンターと、衝撃に耐えるよう設計された新しいタイプの樹脂を使用し、軌道に乗るとサブミリメートルの滑らかさと高周波機能を備えた部品に重合するというものだ。
△ 3Dプリントされた初期のパラボラ反射鏡。写真提供：三菱電機
三菱電機の3Dプリンティング研究 この技術を開発した三菱電機研究所（MERL）のチームは、過去3年間にわたってその手法を改良してきたと思われるが、論文では少なくともそれがどのように機能するかが示されている。
本質的に、提案されている MERL 3D プリンターは、押し出し機、回転モーター、位置決めアクチュエーターを備えた最小限のハブであり、宇宙船バスに搭載されるように設計されています。設置後、システムはカスタム樹脂を自由形状のアンテナパターンに押し出します。この樹脂は太陽光の下では光重合しますが、熱や放射線の変動などの他の条件では光重合しないように特別に配合されています。
△ 押し出し機 CAD モデル軌道上での 3D 印刷方法を検証するために、MERL チームは、Arduino 制御の押し出し機を使用して 500 mm の球形真空チャンバーに材料を排出する実験テスト装置を構築しました。真空チャンバーのサイズにより研究者が最初に構築できるサイズは制限されましたが、押し出し制御ソフトウェアを使用して、幅 160 ミリメートルのパラボラ反射鏡を遠隔で印刷できることが分かりました。
その後の実験では、得られたコンポーネントを無響 RF テストチャンバーで 10、13.5、20 GHz の電波で照射して、無線周波数 (RF) 認定を受けました。結果は、コンポーネントが提供するゲインが従来のCubeSatに必要なものよりも弱いことを示しましたが、チームは、より優れたダイポール給電点があれば、1mmという短い波長を集中させることができると主張しています。
2019年に、エンジニアたちは自分たちの研究によって自由形状3Dプリントの技術的条件の一部が軌道に乗っていると結論付けましたが、三菱電機が最近、そのアプローチが実行可能であることを明らかにしたことを考えると、この点に関するあらゆる障害は克服されたようです。
三菱電機は次のように結論付けています。「三菱電機の樹脂ベースの軌道上製造に対する革新的なアプローチにより、軽量で耐衝撃性のある打ち上げパッケージに搭載された高利得、広帯域、大口径アンテナが効果的に実現しました。真空用に配合されたカスタムUV硬化樹脂を押し出す3Dプリンターを開発することで、樹脂ベースの低電力自由形状積層製造が可能になりました。」
△ミュンヘン専門大学が開発したトラック3Dプリンターのプリントヘッド。 AIMIS-FYT プロジェクトからの画像。
軌道上積層造形の進歩<br /> 宇宙で太陽の力だけを使って液体樹脂から高度な部品を3Dプリントするというアイデアは、科学的事実というよりはSFのように聞こえるかもしれないが、提案されたのはこれが初めてではない。 2016年に、このパートタイムの科学者はアウディと協力してALINA月面着陸船とアウディ・ルナ・クアトロ・ローバーを開発しました。このプロジェクトにより、月面マイクロ波3Dプリントが現実に一歩近づきました。
軌道上の衛星の積層造形技術もそれ以来大きく進歩しており、ミュンヘン応用科学大学の研究者らは新しいタイプの低軌道 3D プリンターを開発している。チームの押し出しシステムは、特に無重力状態で太陽電池パネルやアンテナを建設するために、「AMIS-FYT」プロジェクトの一環として昨年構築されました。
最近、シドニー大学と中国科学技術大学のエンジニアは、高温対応の軌道上FFF 3Dプリンターの設計に成功しました。このシステムは比例積分（PI）コントローラを使用することで、真空中で最大 400°C の温度で動作することができ、軌道メンテナンスミッションの実行に最適です。
三菱電機の技術に関する詳細は、このテーマに関する同社の研究「太陽光重合によるパラボラ反射鏡の軌道上付加製造」に記載されています。この論文は、Avishai Weiss、William S. Yerazunis、Patryk Radyjowski、Richard Cottrell の共著者です。

関連論文リンク: https://www.merl.com/publications/docs/TR2019-125.pdf

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