宇宙探査に積層造形が必要な6つの理由

人類と宇宙との関係は私たちの生涯の中で劇的に変化しました。かつては手の届かない広大な宇宙は、今やテクノロジー、産業、医学、さらには観光の新たなフロンティアとなっています。より多くの衛星の需要、宇宙ミッションの頻度の増加、計画されている月面アルテミス基地、その他の事業は、製造業に新たな課題を生み出している。付加製造（AM）はこれらすべての課題に対する答えではないかもしれませんが、この技術が宇宙探査を助け、支援する機会は数多くあります。

この記事では、積層造形の 6 つの機会を紹介します。そのうちのいくつかはまだ将来に起こりうるものであり、いくつかはすでに起こっているものです。

Masten Space Systems が設計したこのような燃焼室は、3D プリントすることで重量を軽減し、高度な金属マトリックス複合材を活用できます。
1. 宇宙船を宇宙に送る

今日、宇宙飛行は徐々に1回限りのミッションから反復的なミッションへと移行しており、再利用可能でより効率的な打ち上げロケットを製造する必要性が生じています。さらに、打ち上げ頻度と打ち上げ数は今後も増加し続けると予想されます。 10 年前には打ち上げ会社は 12 社しかありませんでしたが、現在では 320 社を超えています。これらの企業や宇宙機関は、3D プリントが重量の軽減と性能の向上に役立つため、スラスタやエンジンなどの複雑な部品の製造に積層造形を採用する傾向が高まっています。 LIA Aerospace の CEO である Dan Etenberg 氏は、同社が積層造形技術を使用して再生冷却機能を備えた次世代ロケットエンジンを開発している様子について説明します。金属3Dプリントは「より小さなスペースにコンパクトに」構築できるため、設置面積が小さくなるだけでなく、重量が減り、燃料効率も向上すると彼は述べた。

2. 宇宙で使用するシステムを作成する

衛星ネットワーク、軌道衛星、探査機などはすべて、積層造形による設計の恩恵を受けることができ、こうしたシステムの数は増える一方です。今後10年間で、3～4基の商用宇宙ステーションが軌道上で国際宇宙ステーションに加わる予定であり、英国に拠点を置くスペース・エナジー社は、マイクロ波の形で地球にエネルギーを送る軌道上太陽光発電所の建設に着手しようとしている。 3D プリントされた部品は、火星の探査車「パーサヴィアランス」やさまざまな衛星などのシステムにすでに存在しています。積層造形によって複雑な形状を実現したり、部品の製造上の課題を克服したりできるため、今後さらに増えると予想されます。これらのプロジェクトでは、帯電防止 (ESD) 特性や耐熱性などの AM 材料の特殊な特性も重要です。

△ ここに示されているオリオン宇宙船のような衛星、太陽光発電所、乗り物は、付加製造された部品の恩恵を受けるでしょう。画像提供: NASA

3. 部品の生産NASA 科学技術局の副局長 RG クリントン氏は、スペアパーツによる ISS の維持管理の現状について次のように説明しました。ISS と地球には常に何千ものスペアパーツが保管されていますが、実際に使用されるのはほんの一部にすぎません。 3D プリントを使用して宇宙で部品を製造すると、スペアパーツに伴うサプライチェーンと在庫の課題が軽減されます。これらの部品をその場で印刷することで、廃棄物を減らし、物流を簡素化できます。 Made in Space は、2014 年に国際宇宙ステーションで使用された押し出しベースの 3D プリンターである無重力プリンターを使用して、宇宙でのポリマーの 3D プリントを成功裏に実証しました。最近のプロジェクトでは、セラミックや金属などの他の材料での 3D プリントや、3D プリントと CNC 加工を組み合わせたハイブリッドシステムの使用に重点が置かれています。宇宙でツールや交換部品などを 3D プリントできることは、より長い宇宙ミッションと、将来的にはさらなる探査を可能にする鍵となるでしょう。

△このレンチは、地球から送られた設計ファイルに基づいて、2014年に国際宇宙ステーションで3Dプリントされました。将来的には、他の工具やスペアパーツも宇宙で製造される可能性があります。画像提供: NASA

4. 地球に優しい製品を作る

さらに、積層造形は軌道上製造 (IOM) にも使用でき、現在地球上では製造が困難または不可能なアイテムを生産できます。カーティス・ラウス氏は、海底ケーブル用の光ファイバーを製造する際の課題について説明した。これらの光ファイバーは地球上で製造できるが、長さが制限されており、冷却速度によって気泡が発生する。微小重力下で製造すると、光学系はほぼ半透明になり、簡単に長くすることができます。半導体や医薬品などの他の産業も、微小重力下での生産から恩恵を受ける可能性がある。微小重力下での 3D プリントの仕組みを理解することで、積層造形の能力が拡大する可能性があります。サポート構造の必要性など、いくつかの課題は、軌道上でのプリントによって解決できるかもしれません。

5. 生息地とインフラを構築する

NASAのアルテミス計画では、最終的には月面に基地を建設する予定で、そこには発射台や道路などのインフラに加え、居住施設や、後には温室、製油所、発電所などの生産施設も含まれることになる。 3D プリントは建設の一部になります。宇宙に建築資材を輸送するのは費用がかかることから、クリントン氏が主任研究者を務める「月から火星までの惑星自律建設技術（MMPACT）」プロジェクトでは、月の泥灰岩を建築資材として使い、地球の結合剤と組み合わせて、これらの構造物を3Dプリントする研究を行っている。この原料を使用したロボット 3D 印刷システムにより、廃棄物を出さずに現地の材料を使用して月面での自律的な建設が可能になります。

△MMPACT プロジェクトのパートナーの 1 つである ICON によるこのレンダリングは、月面に 3D プリントされた居住地がどのようなものになるかを示しています。画像出典: ICON

6. 生息地を整える

MMPACT プログラムは、月面設備、つまりクリントン氏の言葉を借りれば、月面または他の場所に建設される、壁、床、屋根以上のものを備えた居住施設、温室、研究室、その他の構造物についても調査しています。これらの構造物を機能的かつ居住可能にするには、家具、ツール、センサー、実験装置などの追加アイテムも必要です。椅子、酸素センサー、作業台などのアイテムを地球から輸送するのではなく、3D プリントを適用して、これらのアイテムを現地で製造することもできます。月の岩石や、使用済みの打ち上げロケットやその他の機器からリサイクルされた材料を使用することもできます。

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