3Dプリント衛星は、生産の高速化とコスト削減により、ますます人気が高まっています。

南極クマの紹介: 積層造形技術の進歩により、衛星に搭載される 3D プリント部品の数が増加しています。衛星工場では、コストを削減し、ますます強力になる宇宙船の生産を加速するためにこの技術を採用している。これらの進歩は、衛星が軌道上で部品を印刷できる未来への道を切り開きますが、衛星全体を 3D プリントできるようになるまでにはどれくらい時間がかかるのでしょうか?
これは難しい問題です。衛星上の部品の数は、単純なインフラストラクチャから複雑な半導体まで、サイズや複雑さによって大きく異なるからです。
△3Dプリントにより、複数の導波管を1つのユニットに組み合わせることができ、システム統合が容易になり、重量が最適化されます。出典: Swissto12
「キューブサットの部品の数は数百個かもしれませんが、打ち上げられたばかりの100億ドルのジェイムズ・ウェッブ宇宙望遠鏡のような大型衛星の場合は、数万から数十万になる可能性があります」と、積層造形専門企業Swissto12のCEO、エミール・デ・ライク氏は語る。「しかし、わずか5年前までは、3Dプリント構造物の使用は主に実験的なものであり、特別な飛行試験ミッションで使用される部品はごくわずかでした。」 △SWISSto12が3Dプリントした航空宇宙部品。 SWISSto12からの画像
しかし現在、製造されるほぼすべての衛星には 3D プリントされた部品がいくつか使用されているが、そのほとんどは依然として宇宙船の構造を固定するために使用される比較的単純な機械的ブラケットシステムである。
△2018年に打ち上げられたヒスパサット30W-6衛星のアンテナタワーは、200個以上の積層造形部品で構成されている。出典: Maxar Technologies
Maxar Technologies 社では、積層造形部品が製造されるすべての衛星の標準となり、2020 年には一般的な宇宙船の部品の約 3 分の 1 を占めるようになりました。
マクサーが衛星に使用した最初の3Dプリント金属部品はチタン合金製で、日本のスカパーJSAT向けに製造された通信衛星JCSAT-15に搭載されて2016年に打ち上げられた。それ以来、マクサーは打ち上げた20機以上の衛星に、アルミニウム、チタン、プラスチックで作られた付加製造部品を使用してきた。同社は現在、合計5,800個の部品が軌道上にあると見積もっている。
マクサーの宇宙部門シニアバイスプレジデント、クリス・ジョンソン氏は次のように語った。「マクサーが宇宙製造に3Dプリントを使用するのは、スケジュールの柔軟性が高まり、コストが削減され、パフォーマンスが向上するためです。3Dプリント部品の製造には、より少ない人員とより安価な材料が必要です。また、3Dプリント部品は用途が複数あることが多く、質量、ハードウェア数、部品全体の複雑さが軽減されます。」
△3Dプリント部品を搭載したSES-15衛星。画像提供：ボーイング
ボーイング防衛・宇宙・セキュリティ部門の付加製造担当チーフエンジニア、リッチ・アストン氏は、同社が高性能熱交換器、機構、構造、受動マイクロ波装置など、さまざまな宇宙船や打ち上げロケットの用途に付加製造を適用していると語った。
「3Dプリンティングは、ボーイングがテクノロジーの観点から可能性の限界を押し広げ、新しいデザインを生み出し、迅速に試作し、テストし、適切な場所に新しいテクノロジーを導入するのに役立っています」とアストン氏は語った。
ボーイング社は、特に小型衛星市場に注力する子会社のミレニアム・スペース・システムズ向けに、この新しいタイプの製造能力の開発を検討しており、3D プリンティングは、これまでよりも迅速にシステムを軌道上に展開するのに特に適していることが証明されています。
アストンは、小型衛星の場合、「3Dプリントされたバスは従来のバス構造よりも生産サイクルが速く、コストが30％安いことが実証されている」と述べている。
3Dプリント衛星の新たな段階
デ・ライク氏は、機械ブラケットなどの単純な構造物の製造から、衛星の熱管理、無線周波数（RF）などのより複雑な部品の3Dプリントまでには「かなり大きな一歩」があると語った。
たとえば、半導体業界は、現代のテクノロジーの基盤となる、ますます強力になるチップを小型化するために、過去 40 年間で数千億ドルを投資してきました。
Swissto12の最高成長責任者であるピーター・グッゲンバッハ氏は、最先端の半導体工場ではリソグラフィーによって5ナノメートルの精度のチップを生産できるようになったが、3Dプリンティングはまったく別の分野で機能していると指摘した。 △SWISSto12 これまで納品した3Dプリント導波管信号相互接続デバイス。 SWISSto12からの画像
グッゲンバッハ氏によると、選択的レーザー溶融法を使用する先進的な3Dプリンターの精度範囲は50ミクロンで、最高のチップメーカーのものより4桁も低いという。
ノーザン・スカイ・リサーチのアナリスト、ダラス・カサボスキ氏は、衛星の標準化の欠如も、3Dプリントがもたらす規模の経済性を実現する上での障害になっていると述べた。「今のところ、これは主に小型衛星のトレンドです。大型衛星には異なる要件があり、3Dプリントロケットエンジンとは異なります」とカサボスキー氏は電子メールで述べた。「ロケットエンジンは厳格な基準に従って製造する必要があり、衛星はまだ標準化のレベルに達していないため、これによって大きな恩恵を受けることはできません。しかし、製造プロセスの合理化に向けた作業は継続されているため、今後さらに多くのハードウェアが3Dプリントされる可能性があります。」
アプリケーションの障壁<br /> たとえ小規模な衛星メーカーであっても、3D プリンターで部品を製造するには、人間のオペレーターによる多大な介入が必要となり、コストを節約するどころか、コストが増加する可能性があります。
小型衛星専門企業ナノ・アビオニクスの最高技術責任者エルネスタス・カラバッカス氏は、同社では主にテストと試作に3Dプリントを使用していると語った。同社の従来の衛星バスの一部は 3D プリントされていますが、全体のアーキテクチャのごく一部を占めるにすぎません。
カラバッカス氏は、最大の障壁はコストだと述べた。改善は見られるものの、金属部品の3Dプリントは大規模に行わない限りは費用がかかりすぎるからだ。これを実現するために、私たちは、それぞれが少なくとも 100 基の衛星を持ち、多くの同一部品を持ち、衛星の設計/アーキテクチャがすでに 3D プリント用に最適化されている、より大規模な衛星群を検討します。「
衛星産業のコンポーネント標準の伝統は、付加製造への切り替えには宇宙仕様の部品を再設計し、軌道上でテストし、最終的に広く使用できるようにリリースする必要があるため、もう 1 つの大きな障害となります。リスク、時間、コストを考えると、3D プリントへの迅速な切り替えは正当化されません。しかし、これはまだ衛星製造のコストを大幅に削減するものではありませんが、Nano Avionics 社はこの分野を調査しており、今後 5 ～ 10 年で状況が変化することを期待しています。 △ 3Dプリントされた全金属パッチアンテナ。出典: Swissto12
「オール3Dプリント衛星」の限界に挑戦
2021年、Swissto12はオーストラリアのスタートアップ企業Fleet Space Technologiesが小型衛星向けに初めて3Dプリントした金属製パッチアンテナを提供するのを支援しました。
6月に低軌道に打ち上げられたフリート・スペース社の6番目で最新の衛星であるケンタウリ4号には、このようなアンテナが4基搭載されている。フリートスペースは、衛星は地上ネットワークが届かないエリアのデバイスを接続でき、3Dプリントされたアンテナにより宇宙船1キログラムあたりの通信範囲が10倍になると主張している。 △3Dプリントされたアルファ衛星。写真はFleet Spaceより
12月、シリーズBの投資ラウンドで2,600万ドル以上を調達した直後、このスタートアップは第2世代の衛星群の計画を発表した。同社によれば、これには完全に3Dプリントで作られた最初の一連の衛星が含まれるという。
このアップグレードされた衛星群の最初の小型衛星「アルファ」は、現在軌道上にある6機のセントール・キューブサットに加わり、12か月以内に打ち上げられる予定だ。
「アルファは大きな前進であり、衛星が完全に3Dプリント技術で製造された初めての例だ」とフリート・スペースの共同創設者兼CEOのフラビア・タタ・ナルディーニ氏は声明で述べた。しかし、3Dプリント生産の現状を考えると、この計画は宇宙産業で懐疑的な見方をされている。
「今後数年で強力な半導体が3Dプリントされる可能性は低いため、衛星には常に3Dプリントされていない部品が搭載されることになるだろう」とスイストー12のグッゲンバッハ氏は語った。
しかし、フリート・スペース社は、南オーストラリア州政府から約1,400万ドルの投資を受け、アデレードにオーストラリア初となる専用の宇宙製造センターを設立し、この偉業を達成するとしている。
ナルディーニ氏は、この工場には数百万ドル相当の3Dプリンターが数台導入され、衛星群を打ち上げるという野望の実現に役立つと主張している。「私たちは、実際には他の何よりも 3D プリントするのがより複雑な (非常に複雑な形状) RF コンポーネント (アンテナなど) に焦点を絞り始めましたが、今では特許を取得しています」と彼女は言います。「その後、構造、デュプレクサに移り、現在は電子機器全体に取り組んでいます。」
彼女はまた、アルファ衛星用に計画されている半導体は、現在広く市場に出回っている最も小さなチップほど複雑ではないが、実際には将来に向けてさらに強力なチップを計画していると述べた。
フリートスペースの12月3日の発表によれば、アルファ衛星1機には最大64本の3Dプリントアンテナが搭載され、最も近いセントール衛星の4倍の重量で16倍の性能を発揮できるという。

今後の道のりは依然として困難です<br /> 高性能衛星を完全に 3D プリントするためには克服しなければならない技術的なハードルが非常に高く、新たな付加製造プロセスが必要になる可能性があります。
ノーザンスカイズリサーチのカサボスキー氏は、現在の産業用 3D プリンティングを、一度に 1 行のテキストしか印刷できなかった 1990 年代のプリンターに例えています。
「あるいは、別の比喩を使うと、ケーキにアイシングを塗るようなものです」と彼は言いました。「材料はプリンターで処理され、何度も何度もストリップ状に前後に重ねられます。他の方法もありますが、結局は同じような結果になります。つまり、構造やユニークな形状を印刷したり、型やモデルを作ったりすることはできますが、一般的には機能する材料を印刷することはできません。特殊な材料を使用すれば、電気や磁気などを伝導するものを印刷することはできますが、機能する太陽電池を印刷することとは程遠いのです。」
しかし、いつか軌道上で自律的に衛星を製造できるようになるという魅力は、可能性の限界を押し広げたい人々からの投資を引き付け続ける可能性が高い。
地球上では、重力のおかげで製造業者は材料を層ごとに積み重ねることができます。宇宙では、衛星は内側から外側に向かって構築される可能性があり、最初の数滴の物質が中心にあり、回転するにつれて外側に広がります。
カサボウスキー氏はさらにこう付け加えた。「理論的には非常に興味深いものになるかもしれないが、応用面では説得力のある使用例はまだ多くない。また、この技術は軌道上はおろか、地上でも完全に標準化/実証されていない。」
出典：スペースニュース

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