移動式ガントリー3Dプリンターが将来の火星移住の実現に貢献

はじめに: 火星は、地球を除けば太陽系で最も居住可能な惑星です。各国は火星探査に常に熱心に取り組んできました。 3Dプリント技術の急速な発展により、この新技術が将来の火星移住において計り知れない可能性を秘めていることに人々は驚いています。
2022年5月3日、アンタークティックベアは、テイラー大学のエンジニアが、現在のどの印刷システムよりも速く、効率的に地球外基地を建設できると言われる3Dプリンターを開発したことを知りました。
1 か所での製造に限定されている地球外居住地建設プラットフォームとは異なり、チームの「移動式ガントリー」は車輪が取り付けられており、惑星の表面を移動してオンデマンドで印刷することができます。この柔軟性と機械の「無軌道ガントリー」レイアウトにより、準備ができたら作業エリアを展開し、火星基地を「順次構築」できると設計者は述べている。
△エンジニアの「Mud Dauber」モバイルガントリー3Dプリンタープロトタイプ。画像はテイラー大学より。
火星移住の準備<br /> 近年、世界中の宇宙機関や請負業者は、新たな探査ミッションの準備を加速し始めています。これには、2025年までに人類を再び月に送ることを目指すNASAのアルテミス計画のような取り組みだけでなく、米国、中国、ロシア、日本、インドなどの機関が組織する火星への探査機や着陸機を送る計画も含まれる。
将来の地球外ミッションに関して生じる多くの疑問の 1 つは、宇宙の冷たい真空の中に恒久的で居住可能な基地を建設する最善の方法は何か、ということです。施設を陸上に建設し、月や火星の着陸地点に打ち上げると、打ち上げコストは天文学的な額となり、入植者の人口増加も制限されることになる。
同様に、従来の製造方法を使用して惑星の表面に建物を建てることは、特に建築資材の輸送など多くの要因によって妨げられるため、代替手段として 3D プリントが注目を集めています。少なくとも理論上は、月の岩石などの資源を処理するこの技術の能力と、その固有の柔軟性を組み合わせることで、独自のモジュール構造が可能になる可能性がある。
しかし、テイラー大学のチームは、既存の「固定ベースラジアルアーム」システムが、その範囲が限られており、建設が完了するまで場所を移動できないという制約を受けていることを強調した。移動ロボットやガントリーベースのアプローチも地球外建設機械として有望だが、技術者らは、これらのアプローチはそれぞれ「居住地の設計を制限する」と「速度に限界がある」と述べている。
△機械の粗い位置決め (青) と細かい位置決め (緑) のサブシステムの設計により、数百メートルの範囲で正確な 3D プリントが可能になります。画像はテイラー大学より。
モバイルガントリー3Dプリンターのご紹介<br /> 現在の建築用 3D プリント方法の限界を回避するために、テイラー大学のチームは、モバイルユニットとガントリーユニットの背後にあるテクノロジーを 1 つのシステムに統合することを決定しました。実際には、これは彼らのマシンが転がることで X 軸を作成し、次に Y 軸と Z 軸の動きを実現する手段として直動ジョイントを使用し、最終的にレールに頼らずに印刷できることを意味します。
移動式ガントリーが軌道から外れてエラーが発生しないようにするため、エンジニアは、プリントヘッドの位置、方向、速度を判断できる「ローカルポジショニングシステム」も設置しました。エンジニアたちは、これにより機械がワイヤレスで動作し、迅速に更新され、表面の凹凸にも難なく対応しながら、高品質の構造物を精密に作成できるようになると考えています。
研究者たちは、プロトタイプの形でコンセプトを実装することに成功し、地形補正、精密位置決め、3D 印刷サブシステムを完成させました。初期テストでは、「泥排出装置」の設計により、3 自由度の直交座標位置決めシステムを使用して、不均一な地形を横断し、硫黄コンクリートスラリーを複雑な構造物に押し出すことができることが示されました。
技術者たちは、さらに開発が進めば、移動式ガントリーシステムによって「巨大な内部容積」を持つ敷地の「並行建設」が可能になるだけでなく、拡張を可能にする先細りの接続ポイントも可能になる可能性があると考えている。ロボットのサイズと設計のシンプルさを考えると、チームは将来的にロボットを群れにして配備し、「より速く、より高品質に印刷を完了する」ことも可能になると予想している。
△ 「MOONRISEプロジェクト」の一環として開発された車載型レーザー3Dプリンターの3Dレンダリング。画像提供：Laser Center Hannover。
月面における 3D プリントの進歩<br /> 月のレゴリスをベースにした 3D プリント手法は、月面移住者のための強靭で居住可能なインフラを構築する手段として引き続き注目を集めています。昨年、UNSW が共同研究に着手し、Luyten の Platypus Galacticas 3D プリンターの開発を支援したことが明らかになりました。Platypus Galacticas 3D プリンターは、オーストラリアの月面居住推進を支援するために設計された 9 x 12 メートルのガントリーシステムです。
一方、オランダを拠点とするMX3Dは、欧州宇宙機関の月面居住地プロトタイプ用に、骨格となる3Dプリントの月面床コンセプトを提案した。同社は積層造形技術を活用して、軽量鋼で製造しながらも洗練されたメッシュデザインを実現し、機能的な監視システムを構造物に組み込むことを可能にしたと言われている。
他にも、ブラウンシュヴァイク工科大学とハノーバー・レーザーセンターの科学者らが、3Dプリント機能を備えた月面探査車を開発している（詳細は実験レベル）。「MOONRISE」というコードネームのプロジェクトの一環として、研究者たちは「MIRA3D」車両にレーザーを搭載し、それを使って月の塵を溶かして大きな球形のプロトタイプ構造物を作ることに成功した。
研究者らの調査結果は、ピーター・スターリッツ、カレブ・ミラー、ジョサイア・マクルーグが共著した論文「モバイル・ガントリー：火星での3Dプリント構造のためのARoboticアーキテクチャ」に詳しく記載されている。

関連論文リンク: https://engrxiv.org/preprint/view/2313

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