3Dプリントは宇宙探査に不可欠

昨日、Antarctic Bearは「世界の13の金属製3Dプリントロケットエンジン」と題する記事を発表し、国内外の3Dプリントロケットエンジンの多くの事例をまとめました。実は、宇宙探査分野における3Dプリントの応用はこれに限りません。
この記事では、宇宙探査、特に火星探査と月探査における 3D プリント技術のいくつかの事例を引き続き整理します。不足している点があれば追加してください。
火星探査
中国の天問1号と長征5号はどちらも3Dプリント技術を採用している
2021年5月15日、わが国の火星探査ミッションである探査機「天問1号」の着陸機と探査車が、火星ユートピア平原南部の事前に選定された着陸地点に無事着陸した。これは中国の宇宙船が火星に旅した初めてのケースであり、人類の宇宙史上の偉業を成し遂げた。
△写真提供：中国航天科技集団第五科学院
天問1号探査機は、中国航天科学技術集団第五研究院によって開発・製造された。第五科学院総合設計部は、火星探査車の全体ユニットと構造サブシステム開発ユニットとして、金属3Dプリント技術とクロススケール構造最適化設計方法を使用し、北京衛星製造工場、北京理工大学、大連理工大学、西北工業大学、南京航空航天大学、西安ポリライト添加剤技術有限公司、瀋陽静和CNC技術開発有限公司などの国内の優位なチームと協力して、3Dプリント構造設計、3Dプリント特殊材料の研究開発、3Dプリント特殊設備の開発と製造プロセスに関する共同研究を行っています。
「天問1号」の開発中、新京河は付加製造ソリューションプロバイダーとして、レーザー選択溶融技術（SLM）を使用して30以上の製品を製造・提供し、レーザー堆積技術（LDM）を使用して9つの製品を製造・提供しました。火星探査車の着陸成功により、軽量化や特殊機能の実現など、火星着陸プロジェクト開発における技術的課題が多方面で解決され、深宇宙探査分野における積層造形技術の応用において重要な先駆的一歩となった。
天問1号の打ち上げに使用された長征5号ロケットにも、3Dプリントされた重要な部品が多数搭載されている。その1つが、中国航天科技集団の中国発射機技術研究院宇宙材料技術研究所がFarsoon High-Techの連続積層造形システム（CAMS）HT1001Pソリューションを使用して加工した段間ロック解除装置保護プレートである。
長征5号ロケットは全長約57メートル、機体直径5メートルで、我が国で最も高く、最も大きいロケットであるだけでなく、最も強力な搭載能力を持つロケットでもあります。段間ロック解除装置保護板は、１バッチで加工する個数が少なく、加工頻度も低いため、従来の射出成形法では金型が必要となり、金型コストが高く、金型保存コストも高くなります。しかし、3Dプリント技術を使えば、型を作る必要がなく、一体で製品を成形することができます。ロケット段間ロック解除装置保護板の各部品のサイズは約370mm×100mm×125mmで、部品全体の最終サイズは直径約5000mmです。HT1001Pを使用して印刷され、約50個の部品から組み立てられ、わずか48時間しかかかりませんでした。
海外の火星探査車における3Dプリント技術の応用

NASAの火星探査車「パーサヴィアランス」は2021年2月18日に火星の表面に着陸し、火星の最初の写真を送信しました。火星探査車には、3Dプリント技術で作られた11個の金属部品が搭載されており、これらの部品は多くのテストを経てようやく火星に到着し、その後の火星探査でも役割を果たし続けることになる。
△火星探査車パーセベランスの着陸デモ △火星探査車「パーサヴィアランス」が送ってきた火星の初の写真
3D プリンティングにより、エンジニアはハードウェアをより軽量、より強く、または熱や寒さに敏感にするなど、独自の設計と特性を作成できます。
パーサヴィアランス探査機の前身であるキュリオシティは、3Dプリントされた部品を火星に持ち込んだ最初の探査機でした。 2012年に着陸したとき、探査車の火星サンプル分析（SAM）装置には3Dプリントされたセラミック部品が内蔵されていた。それ以来、NASAは部品の信頼性を確保するために宇宙船での3Dプリントの使用をテストし続けています。
関係者は、「パーセベランス」の3Dプリント部品が計画通りに機能しなくても、ミッションに危険は及ばないと述べた。 △パーサヴィアランス火星探査車
3DプリントされたPIXLシェル

火星に向かう 11 個の 3D プリント部品のうち 5 個はパーセベランスの PIXL 装置に搭載されています。このお弁当箱サイズの機器は、X線岩石化学惑星計測装置で、X線ビームを岩石の表面に照射して分析することで、探査車が化石化した微生物生命の痕跡を探すのに役立ちます。

PIXL は、探査機の 7 フィート (2 メートル) の長さのロボットアームの先端にある 88 ポンド (40 キログラム) の回転タレット内で他のツールとスペースを共有しています。装置を可能な限り軽量にするために、JPL チームは PIXL の 2 つのチタンシェル、取り付けフレーム、およびシェルをロボットアームの先端に固定する 2 つのサポートストラットを、極めて薄い壁の中空構造になるように設計しました。実際、Carpenter Additive というサプライヤーによって 3D プリントされた部品は、従来の方法で製造されたものよりも 3 ～ 4 倍軽量です。

「この機器は3Dプリントによって実現しました」と主任機械エンジニアのマイケル・シャイン氏は語る。「これらの技術により、従来の製造方法では不可能だった軽量化と高精度化を実現できました。」

△NASAの火星探査車パーセベランスに搭載された機器のひとつ、PIXLのシェルには、3Dプリントされたチタン製の部品がいくつか含まれている。イラストは、2ピースのシェルの前半分を示している。
MOXIEの3Dプリント熱交換器

パーサヴィアランス探査車の他の 6 つの 3D プリント部品は、火星酸素現地資源利用実験装置 (略して MOXIE) に搭載されています。この施設では、将来、火星で宇宙飛行士を地球に帰還させるのに役立てるロケット推進剤を製造するための工業的量の酸素を生産できる可能性がある新技術をテストすることになる。

MOXIE は酸素を生成するために、火星の空気を華氏約 1,500 度 (摂氏約 800 度) まで加熱します。装置内部には 6 つの熱交換器があります。これは、機器の主要コンポーネントを熱から保護する手のひらサイズのニッケル合金プレートです。

2 つの部品から作られて溶接される従来の機械加工熱交換器とは異なり、MOXIE の熱交換器はそれぞれ、Caltech で 1 つの部品として 3D プリントされています。

「こうしたニッケル部品は、非常に高い温度でも強度を保つため超合金と呼ばれ、ジェットエンジンや発電タービンによく使われています」と、熱交換器の開発に携わった材料エンジニアのサマド・フィルドシー氏は言う。「非常に高い温度でも、腐食に非常によく耐えます。」

新しい製造プロセスは便利である一方、3D プリンターで積層される合金の各層に気孔や亀裂が生じ、材料の強度が弱まります。これを避けるために、シートは熱間静水圧プレスで処理されます。これは、材料を華氏 1,832 度 (摂氏 1,000 度) 以上に加熱し、部品の周囲に均一に強力な圧力をかけるガス粉砕機です。その後、エンジニアたちは顕微鏡と広範囲にわたる機械試験を用いて熱交換器の微細構造を検査し、宇宙飛行に適していることを確認した。
オリオン宇宙船

△オリオン宇宙船は、新しい材料3Dプリントで非常に複雑なドッキングハッチを使用しています
2018 年、NASA のオリオン宇宙船では、高性能の機械的、化学的、熱的特性を提供する PEKK ベースの熱可塑性材料である Antero™ 800NA の新しい ESD バリアントなど、深宇宙ミッションの極端な温度と化学物質に耐えられる新しい材料を使用して、100 を超える部品が 3D プリンターで製造されました。

量産グレードの熱可塑性 3D プリント部品は、PADT と共同でロッキードマーティンの付加製造ラボによって製造されました。PADT は、S-Corp の 3D プリンターと、ULTEM 9085 樹脂や、重要な静電気散逸 (ESD) 機能を組み込んだ新しい Antero 材料などの先進材料を使用しており、NASA が深宇宙の極限環境に対応する 3D プリント部品の重要な要件を満たすことを可能にしています。 Antero は、NASA の耐熱性、耐薬品性、および高い機械的負荷に耐える能力に関する要件を満たすのに最適です。

欧州火星探査車

△2017年レポート：英国企業Ogleが3Dプリント技術を使用して欧州火星探査機の部品を開発
Ogle社はプロトタイプ開発を専門とし、探査車のシャシー本体とソーラーパネルの開発・製造を行っている。 3D プリント (SLS) は、CNC などの従来のプロセスと組み合わせて使用されることもあります。また、ソーラーパネルを完璧に折りたためるように、8 つのヒンジも印刷しました。

端末アプリケーションにも3Dプリント部品が搭載されているものがあるようです。
月面探査
中国の嫦娥4号と嫦娥5号
「嫦娥4号」は中国の月探査プロジェクトの第2期に打ち上げられた月探査機であり、月面の裏側に着陸した初の有人探査機でもある。嫦娥4号は2018年12月8日に打ち上げられ、2019年1月3日に月の裏側の事前に選ばれた地域に着陸した。
1月15日、嫦娥4号生物科学実験搭載物プロジェクトチームは、嫦娥4号とともに月面の裏側に着陸した生物科学実験搭載物の中で、初めて綿の種子の発芽に成功したと発表した。
月面の重力は地球の6分の1しかなく、昼と夜の温度差は約300度あります。これらの種子は発射場で2か月間滞在する必要があり、宇宙飛行には1か月かかります。では、これらの種子が旅の途中で散らばったり、月に到着した後に「目覚め」たりしないように、どのように保存されるのでしょうか。

重慶大学生命科学学院准教授、邱丹氏：これは3Dプリントされたモジュールです。月面にもこれと全く同じモジュールがあります。中に生物を入れ、水溶性綿で覆い、接着剤で固定して密封し、漏れたり溢れたりしないようにします。

密閉されたモジュールは、特殊なアルミ合金製の缶に収められる。総重量はわずか3キログラムで、小型ながら完成度が高い。缶は月面の急激な温度差に耐えられるよう「断熱材」で覆われている。また、「空調システム」や光ファイバーガイドチューブなども備えている。

2020年12月1日、嫦娥5号は月面への着陸に成功し、12月2日午前3時にサンプル採取作業を開始した。月面で約19時間の作業を経て、12月2日午後10時に月面の自動サンプル採取作業を無事完了した。嫦娥5号の月面での素晴らしい活動を人々がスクリーンで喜んでいる一方で、中国航天科学技術公司第五科学研究院では、嫦娥5号の「双子の妹」が月の環境を完全にシミュレートした現場で、舞台裏で静かに陰の英雄として活躍していたことを知る人はほとんどいなかった。
△写真提供：CCTV Chinese International
この月のサンプル採取は、38万キロ離れた地球と月で同時に行われた。嫦娥5号が月面に着陸すると、機体に搭載された監視カメラが月面のリアルタイムデータを測定し、北京に伝送する。月面の大きな岩石は、迅速なコンピュータレンダリングの後、測量・地図データから3Dモデルに変換される。このモデルはUni-Zaoの高速連続3Dプリンターで印刷され、模擬月の土壌が撒かれる。こうして、月面着陸地点の周囲と全く同じ模擬環境が構築されました。研究者らはまず、嫦娥5号の双子の姉妹機を地球上の模擬実験場で操縦し、最適な採取経路をシミュレートした後、数千マイル離れた場所で嫦娥5号を操縦して実際の採取を実施した。嫦娥5号が最善の計画で月面サンプル採取ミッションを成功裏に完了できるようにします。
シミュレーションされた現場で、月の岩石モデルを迅速かつリアルタイムで印刷します。従来の 3D 印刷技術を使用すると、これらのモデルを印刷するのに 10 時間以上かかります。月面での作業時間が 1 秒長くなるごとに、コストが膨大になるだけでなく、宇宙船が未知のリスクにさらされる可能性も高くなります。 YouniZaoが独自に開発したcUDP連続印刷技術により、印刷時間を10分以上に短縮でき、地球と月の同期運用が可能になります。
NASA、月面に3Dプリントの居住施設を建設予定
2020年10月、NASAは月面でのロボット建設方法の開発を目的として、オリンパスプロジェクトと呼ばれる宇宙3Dプリント建設プログラムに資金を提供しました。オリンパスのプロジェクトは、建設用3Dプリント企業であるICONによって推進されました。

ICON、建築会社BIG、宇宙スタートアップSEArch+は、NASAのマーシャル宇宙飛行センターと協力して、月面土壌模擬物の積層造形を研究します。 BIG のパートナーである Martin Voelkle 氏は、月面での 3D プリントによって実現された廃棄物ゼロの持続可能な実践を、地球上の建設にも応用できると示唆しました。
△写真提供：ICON <br /> これまでにも、宇宙での3Dプリント居住地の可能性を探るために、太陽光焼結を含む数多くのプロジェクトが開始されており、その取り組みの一部は2014年にまで遡ります。この場合、SBIR に選ばれた企業はその任務を遂行できる可能性があります。 ICON はすでに、米軍車両用のシェルターを 3D プリントしたり、メキシコで 3D プリントコミュニティを建設するなど、いくつかの素晴らしい偉業を達成しています。同社はまた、テキサス州オースティンにホームレスのためのシェルターを建設した。

宇宙居住施設の建設は、NASAのより大規模なアルテミス計画の一部であり、2024年までに宇宙飛行士を月面に着陸させるだけでなく、そこに長期基地を設立することも目的としている。 ICON が月面での人類の持続的な滞在の基礎を築くプロジェクトとなるかどうかは、まだ分かりません。
欧州宇宙機関が月の床を3Dプリント
2021年9月、オランダのロボット金属3Dプリント会社MX3Dは、欧州宇宙機関（ESA）の月面居住地プロトタイプ向けに、新しい素材をベースにした効率的な「スケルトンフロア」を構築した。
MX3D は、スクライビング応力マッピング解析と 3D プリントを組み合わせることで、滑らかなメッシュ設計の超軽量鋼構造を構築し、その質量をわずか 395 kg にまで削減することができました。 ESAのエンジニアであるアドヴェニット・マカヤ氏によると、この構造物の製造が成功したことは、MX3D技術の効率性と月面建設作業におけるその可能性を実証しており、将来的にはサンダーストーン構造物の建設にも使用される可能性があるとのことだ。
△MX3Dのステンレススチール製3Dプリント月面床、重量495キログラム。写真提供：ESA
軽量「スケルトン」デザイン
建築会社 SkidmoreOwings and Merrill (SOM) が開発中の 4 階建ての ESA 月面居住プロトタイプ用に建設された MX3D の床は、可能な限り多くの材料を節約するために位相的に最適化されました。実際の建設では、MX3D 独自の WAAM テクノロジーを使用して 6 つの垂直セクションに構造を 3D プリントし、それらを溶接して一体化した基礎構造を形成しました。
3 本の柱で支えられた床上の一連のパネルは、充填材を必要とせずにサポート構造として機能する「グリッド」を形成し、全体的なデザインは周囲と中心に向かって傾斜しているため、これらの領域は、凝集性や完全性を犠牲にすることなく、より薄い厚さで 3D プリントできます。 △定義された応力図解析とトポロジー最適化を使用することで、床の設計は以前よりも大幅に軽量化されました。画像提供：ESA
米国の大学チームが月ロケット着陸パッドのプロトタイプを3Dプリント
2021年初頭、アメリカの大学の学部生10人からなるチームが、NASA、テキサス州軍事省、積層造形会社ICONの専門家と協力し、3Dプリント技術を使って月面煙緩和装置（Lunar PAD）を構築し、点火テストを実施した。この装置の主な機能は、ロケットが月面に着陸したときに大量の煙や塵が発生するのを防ぐことです。
△ヴィンセント・ムライ
3D プリントは、主流の建築では得られない設計の自由度を提供します。 3D プリントされた Lunar PAD プロトタイプは、直径 20 フィート、高さ 1.6 フィート以上です。しかし、実物大の月面着陸パッドは、おそらく直径約 100 メートル必要になるでしょう。
△学生たちが月面着陸台を建設中<br /> プロトタイプの設計は重要であり、打ち上げと着陸時に拡散する塵の量を最小限に抑えるために、空気の流れを上方と外方に向ける必要があります。通常、着陸地点は平坦または固い表面が特徴ですが、彼らが設計した着陸パッドには、中央に一定の高さがあり、表面に開口部があり、宇宙船が着陸したときに排気ガスを外側に拡散させる役割を果たします。

仕上げる
3Dプリント技術は火星探査や月探査に加え、小さな星の探査にも活用されるでしょう。
例えば、3Dプリント材料メーカーのKEXCELLEDは、小惑星探査機の帰還カプセルの熱保護システムに3DプリントされたPEEKを使用する予定だと発表した。

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