3D プリントは宇宙探査に役立ちます!

はじめに: 今、国々の間で新たな宇宙開発競争が始まっています。今回、世界中の科学者たちは、他の惑星に植民地を築く方法を見つけたり、さまざまな技術を使って人類が本当に宇宙で生活できるようにしたりするなど、さまざまな目標を達成するために取り組んでいます。この目標を達成するために、 3D プリントは、その適応性、コスト効率、そしてもちろん、他の惑星に移住したい場合に重要な要件となる現地の材料を使用できるという点から、宇宙植民地化に使用できる主要なテクノロジーの 1 つです。各国の人々は宇宙植民地化の分野で3Dプリント技術をどの程度応用しているのでしょうか？他にはどのような問題に直面していますか?宇宙植民地化は本当に可能でしょうか?

ICON と NASA が火星に 3D プリントの居住地を建設 宇宙探査の分野では、NASA は 3D プリント建設会社 ICON と協力して火星に「家を建てる」ことに取り組んでいます。 NASAが他の惑星に居住可能な居住地を建設する可能性を調査する最新のプロジェクトで、ICONは建築会社BIG-Bjarke Ingels Groupと協力し、火星の表面に模擬居住可能な家を設計し、3Dプリントすると発表した。これは火星に家を建てる初めてのプロジェクトです。MARS DUNE ALPHA と名付けられたこの模擬住宅は、約 1,700 平方フィートの広さがあります。基地全体の広さは 160 平方メートル未満ですが、小さいながらも設備は整っています。基地には寝室、キッチン、バスルーム、作業場などの必要な設備に加え、ジム、娯楽室、医療室、作物を育てるスペースもあります。このモデルは製造されると、テストのためにテキサス州ヒューストンにあるNASAのジョンソン宇宙センターに運ばれる予定だ。

△画像出典：ICON

3Dプリントで火星に住む？
NASAは2014年以来、「3Dプリント居住地チャレンジ」と呼ばれるチャレンジを実施しており、地球以外の惑星での生命を支えるために宇宙に建設できる3Dプリント構造物を作成することを目指しています。数年前にこの賞を受賞したプロジェクトの 1 つは、火星に 3D プリントされた住宅を建設するというコンセプトを開発した MARSHA プロジェクトでした。アメリカの企業AIスペースファクトリーは、34平方メートルの円錐形の構造物を提案した。火星にある資源を使って建造されるため、地球から資材を輸送する必要がなくなり、必要な資源の量も削減されます。 MARSHA は、火星の温度変化による構造の変形を防ぐために二重船殻システムを採用して設計されています。

△アメリカのAI Spacefactory社は円錐状の構造を提案した。画像提供：AI Spacefactory

Mars One が火星用の宇宙服を 3D プリント 火星に到達するための多くのプロジェクトが開発されていますが、もちろんそこに到達する方法を知ることは重要ですが、死なずにそこに到達できることを確実にすることも同じくらい重要です。そのため、NASAや欧州宇宙機関（ESA）などの機関がこの問題に取り組んでいます。これを念頭に、2011年に設立された企業であるMars Oneは、 3Dテクノロジーを使用して設計された宇宙服を発表しました。 Mars One は、デジタル化と積層造形技術の活用により、火星での生存を確実にするために宇宙飛行士の体型に完全に適応するスーツを開発しました。

△宇宙服、画像提供：Mars One

ゼブロ・スウォームのロボットが火星に地下基地を建設 デルフト工科大学の研究者たちは、3D プリントを使用して火星に住宅構造物を建設する別の方法を発見しました。今回はロボットを使用します。デルフトのゼブロ・スウォームロボットは、3Dプリント技術を使って火星の材料で壁を補強し、火星の地下居住空間を掘削することができる。複数の自律型ロボットは基地を建設するアリと同様に機能し、地下を掘りながら通信したり作業を分担したりすることができます。科学者たちは、地下の気温変化は地表ほど顕著ではないため、火星の人間にとって地下での生活のほうが適していると考えている。アンタークティック・ベアは、ESA がこのプロジェクトの重要性を認識し、研究開発資金を提供していることを知りました。

△火星の地下に家を建てる

ルイテン氏は月面に3Dプリント住宅を建設したいと考えている
Luyten は、宇宙探査分野における積層造形技術の活用を専門とする企業です。オーストラリアの3Dプリンターメーカーは、Platypus Galacticus 3Dプリンターを使用して月に住宅を建設することを目指すMeekaプロジェクトの一環として、ニューサウスウェールズ大学（UNSW）と協力しています。ルイテン氏はこの技術と月の表土の材料を使って、長さ12メートル、高さ9メートルまでの構造物を建設したいと考えている。さらに、ルイテン氏は、建設を行えるエリアを決定するために、プラティパス・ギャラクティカスに技術サポートを提供するローバーを複数台送り込み、月面物質（現地物質）を収集するローバーと、環境条件を観測・判断するローバーを送る予定だ。

△写真提供：ルイテン

宇宙での 3D バイオプリンティング 宇宙での生活は地球での生活ほど簡単ではありません。宇宙の無重力は宇宙飛行士の骨や筋肉に大きな影響を与えます。そこで、ESAの研究者たちは、皮膚と骨のサンプルを設計するための3Dバイオプリンティングプロジェクトに取り組んできました。微小重力条件下で宇宙に転送できることを証明するために、印刷プロセスは逆順に実行されました。宇宙飛行士が旅行中に 3D バイオプリンターを利用できれば、医療上の緊急事態に対応できるようになります。たとえば、火傷を負った場合、乗組員は新しい皮膚を印刷することができます。 ESA の症例ライブラリには、プラズマ、メチルセルロース、アルギン酸を使用して 3D プリントされた皮膚と骨のサンプルが複数あります。

△ ヒト血漿をインクとして印刷したヒト皮膚細胞のサンプル（写真提供：ESA – SJM Photography）

ムーンライズプロジェクト
2021年1月、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（LZH）の研究者チームが、初めて月のレゴリスを3Dプリントする実験に成功しました。「ムーンライズ」と呼ばれるこの実験のために、科学者たちは探査車に月の物質を溶かすレーザーを装備した。その後、研究者らは、宇宙で3Dプリントできるように特別に設計された月面探査車であるIRAS MIRA3Dローバーを3Dプリントに使用しました。研究者らは、レゴリスを使って複数の物体を設計し、実際に月面に家を建てるための基礎を築いたと述べている。

△写真提供：LZH

3D プリントされた生体接着包帯 「コズミック・キス」と呼ばれる宇宙ミッションの一環として、国際宇宙ステーションに搭乗した宇宙飛行士は、3Dプリントされた生体接着包帯のさまざまなテストを実施し、ドイツの宇宙飛行士マティアス・モレルは宇宙で生体プリントされた接着テープの使用をテストしました。 Bioprint FirstAid の最終的な目標は、医療支援が不足している過酷な地域や極限状況で支援を提供できるようにすることです。ハンドヘルド型の機械式バイオプリンターは、皮膚の損傷部位に直接当てて使用され、特殊なバイオインクを使用して石膏のようなストリップを瞬時に印刷します。このプリンターは小型で操作が簡単なため、宇宙でも、北極のような地球上の過酷な環境でも使用できると科学者らは述べている。

△ドイツの宇宙飛行士マティアス・モレルが宇宙でバイオプリントテープの使用をテスト

ラバハイブプロジェクト
2015 年 3 月、NASA は 3D プリントハウスチャレンジを開始しました。応募作品160点の中で、ひときわ目立った作品が1点ありました。「LavaHive」と呼ばれるこの概念設計は、欧州宇宙飛行士センターとオーストリアのグループ「Liquifer Systems」のメンバーによって開発された。 Moonrise プロジェクトと同様に、レゴリスを 3D プリントの材料として使用するというアイデアです。具体的には、LavaHive の主な設計は、中央に膨張式ベースを構築し、それを月の素材から 3D プリントした壁で補強することです。さらに、十分な広さの生活空間を確保するために、この膨張式エリアは 3D プリントされたトンネルを介して 3 つのサブ居住区に接続されています。

△画像出典：LavaHive

中国の月探査計画 中国の月探査計画について、中国月探査プロジェクトの主任設計者で中国工程院院士の呉維仁氏は次のように述べた。「月の南極に科学研究ステーションを建設すれば、地球の大規模で全方位的かつ安定した長期観測を行うことができる。2030年までに月の南極に基礎科学研究ステーションを建設する。後期に科学研究ステーションの規模が拡大するにつれ、月で家を建てたり、レンガを作ったり、3Dプリントをしたりできるようになる。同時に、月で鉱物を採掘することもできる。これらはすべて将来の発展の方向だ。さらに、月をより深い宇宙やより遠い惑星に行くための踏み台として使うこともできる」

中国の微小重力 3D プリント実験 我が国は、2016年3月にフランスのボルドーで初めて93回の放物線飛行試験を実施しました。実験では、中国科学院宇宙付加製造技術実験チームが独自に開発した3Dプリント装置とプロセスを使用して、微小重力環境で毎回22秒間対象サンプルを印刷することに成功し、微小重力環境での製品製造の実現可能性を証明しました。

△ パラボリック飛行実験用プリンター

中国科学院宇宙付加製造技術実験チームは、2016年に我が国初の「宇宙3Dプリント」技術実験を主導して以来、2年以上の研究と準備を経て、ナノスケールの固体セラミックペースト材料、3Dプリントセラミック耐高温金型、実験装置2セットを独自に開発しました。欧州の無重力航空機を活用し、微小重力環境下でのセラミック材料の光造形成形技術試験を成功裏に完了し、我が国が宇宙で各種材料の高精度製造を実現するために必要な技術基盤を築きました。

△微小重力実験

中国の宇宙3Dプリント設備
2020年5月5日18時、我が国の有人宇宙ステーションプロジェクト向けに開発された長征5号Bロケットは、搭載した新世代有人宇宙船試験船を所定の軌道に送り込み、初飛行ミッションは完全に成功し、宇宙ステーション段階の飛行ミッションで初の勝利を達成しました。この新世代の有人宇宙船には、我が国の科学研究チームが独自に開発した新型の設備「連続繊維強化複合材料宇宙3Dプリント設備」も搭載されています。これは我が国初の宇宙3Dプリント実験であり、宇宙での連続繊維複合材料の3Dプリント実験としては世界初となります。

△連続繊維複合材料の3Dプリント実験

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