3Dプリントの新たな可能性：星間植民地化と宇宙空間の開発

出典: テンセント

3Dコンピューター技術を使い、材料を層ごとに積み重ねて物体を合成する付加製造は、宇宙機器製造の最前線になりつつあります。科学者たちは、3Dプリントが地球外宇宙の開発を大幅に加速できると信じている。 3D プリンターの「宇宙製造」を最適化し、印刷された部品の安全性を向上させるにはどうすればよいでしょうか?新しい技術をどのように活用して、ナノ衛星用の超軽量光学システムを開発できるでしょうか?ロシアの大学の研究者（「5-100」プログラムのメンバー）が最新の開発成果を発表しました。

新しい方法の主な利点の 1 つは、1 台の 3D プリンターで従来の工場の大量の設備を置き換えることができることです。 2020年11月、フォーブス誌は、起業家の注目に値する5つの革新的な新技術のリストに、付加製造（ラテン語の「additivus（増加する）」に由来）を含めました。著者らは、製品の重量が輸送コストに最も大きく影響することが多い航空宇宙産業に、付加製造が大きな利益をもたらすだろうと指摘している。

宇宙3Dプリンティングは宇宙開発を大幅に加速させることができ、付加製造技術もロケット製造業界に積極的に浸透しています。

2020年5月30日のクルードラゴン宇宙船とファルコン9ロケットの打ち上げに参加した宇宙飛行士ロバート・ベンケンとダグ・ハーリーのヘルメットは、3Dプリント技術を使用して特注された。

航空宇宙企業スペースXのイーロン・マスク社長は、3Dプリントを使用すれば、従来の製造方法に比べて時間とコストを大幅に削減して、耐久性のある高性能エンジン部品を製造できると述べた。 SpaceX は早くも 2014 年に、初の 3D プリント部品を製造しました。

航空宇宙企業ブルーオリジンのジェフ・ベゾスは、積層造形技術を使用して BE-4 エンジン部品を印刷しています。米国（Relativity Space）と英国（Obex）の新興ロケット会社も、3Dプリンターの可能性を最大限に活用する計画を立てています。

3Dコンポーネントの安全性の向上

同時に、3D プリントされたコンポーネントのわずかな欠陥でも、作成されるデバイスの安全性にとって重大な問題となります。国立研究技術大学MISIS（NUST MISIS）の科学者たちは、アルミニウムの3Dプリント技術を改良し、製品の硬度を1.5倍にすることに成功した。

NUST MISISの研究者は、このような欠陥の主なリスクは材料の高い多孔性にあると考えており、その理由の1つは元のアルミニウム粉末の特性にある。印刷された製品の微細構造が均一で緻密であることを保証するために、科学者たちはアルミニウム粉末にカーボンナノファイバーを添加して材料の多孔性を低くし、硬度を1.5倍に高める方法を提案した。この研究結果はComposites Communications誌に掲載された。

「カーボンナノファイバーは熱伝導率が高く、製品合成時の選択的レーザー溶融段階で印刷層間の温度勾配を最小限に抑えるのに役立ちます。その結果、材料の微細構造の不均一性をほぼ完全に排除できます」とNUST MISISの教授であるアレクサンダー・グロモフ氏は語った。

使用されるカーボンナノファイバーは、油田からの随伴ガスを処理する際に生成される副産物です。触媒分解中に、炭素は触媒内に分散した金属粒子上にナノファイバーの形で蓄積されます。科学者らはまた、付随ガスは通常、石油・ガス田で「燃やされ」、環境に害を及ぼすため、この新しい方法の使用は環境上重要な意義を持つと指摘した。

「宇宙製造」の最適化

イーロン・マスク氏や他の専門家は、3Dプリントが火星の植民地化など将来の宇宙開発に役立つと確信している。

火星で生き残るためには、できれば地元の材料を使って、そこで生産を開始できる必要があります。 3Dプリンターは基地を建設したり、そこに生活環境を構築したりするために使用できます。

国際宇宙ステーション（ISS）で機能するための資材を調達する問題は今もなお深刻で、宇宙飛行士は次の貨物船を数か月待たなければならない。時には、電気接点用のプラスチックプラグが紛失するなど、重要な小さな部品が破損したり紛失したりすることがあります。この場合、宇宙でプラスチック製品を印刷する 3D プリンターがこの問題を解決できます。将来、恒星間ミッションの際には、可用性の問題はさらに深刻になり、このようなプリンターの需要は確実に増加するでしょう。

2016年、NASAはMade in Spaceに国際宇宙ステーションに常設の3Dプリンターを設置し、宇宙飛行士が必要とする工具や機器などあらゆるものを生産するよう依頼しました。その後、欧州、中国、その他の企業も同様の機械の製造を発表した。

3Dプリンターを開発したトムスク工科大学（TPU）の科学者らは、ロシア製の3Dプリンターは2021年に宇宙に打ち上げられる予定だと語った。その利点は、機器のアップグレードや修理を可能にする、より高度なモジュール式システムだ。したがって、3D プリントの材料が単純なプラスチックから上部構造や複合材料に移行すると、エンジニアは、今日のアメリカの同僚のように、新しいプリンターを構築して ISS に持ち込んで使用する必要がなくなります。

「現在、3Dプリンターの作業レイアウトは最終段階に入っている。ISSに送られる機器には、機械的、気候的、その他の負荷耐性に関して厳しい要件がある。さらに、3Dプリンターが宇宙飛行士にとって絶対に安全であることを保証する必要もある。現在、これらすべてがチェックされており、一連のテストと検査が実施されている。同時に、このプリンター専用にセットアップされたソフトウェアも改善されている」と、TPUの現代生産技術科学製造研究所の責任者、ヴァシリー・フェドロフ氏は述べた。

超軽量ナノ衛星用光学システムの開発

写真：トムスク工科大学高等技術物理学研究所ロシアは2021年から3Dプリント小型航空機エンジンの量産を開始する予定

3D プリントの可能性により、サマラ大学の科学者はナノ衛星用の回折光学系を備えた独自の超軽量光学システムを開発することができました。研究者らによると、回折光学系を備えたレンズが宇宙に打ち上げられるのは今回が初めてだという。

光学系の核となるのは、同大学が開発した独自の特性を持つ平面回折レンズです。このレンズをベースにしたレンズは、現代の望遠レンズのレンズシステムに代わるもので、軽量 (光学系を含めて 100 グラム未満) で小型であることが特徴です。

このレンズは、強度特性を維持しながら重量を最小限に抑えるために最良の技術を使用して設計された革新的なバイオニック形状のハウジングを備えています。宇宙船コンポーネントの複雑な外部形状と内部構造は、SLM280HL 選択的レーザー核融合装置で 3D プリントされます。

科学者らによると、部品の重量を最小限に抑えるために、内部構造のトポロジー最適化が行われ、その結果、特殊なハニカムブロックが追加されたという。この部品の寸法は 70 x 80 x 100 mm で、積層造形技術の使用により、従来の方法で製造された同様の部品よりも約 40% 軽量です。

「レンズのシェルはAlSi10Mgアルミニウム合金粉末で作られています。ロシアで生産される合金は、ロシア国内外で高い評価を得ています。航空宇宙分野では重量が主な特徴であり、業界はこの指標を減らすよう努めてきました」とサマラ大学エンジン生産技術教育研究部門のヴィタリー・スメロフ准教授は述べた。

科学者たちは、元の構造の多段階トポロジー最適化を実行し、いくつかの形状を取得して分析しました。

サマラ大学の研究者アントン・アガポビチェフ氏は次のように語った。「トポロジー最適化と積層造形技術の分野におけるCADFEM CISの専門家と協力し、世界の航空宇宙産業企業の最新の要件を満たす新しい構造形状を得るために多くの作業を実行しました。」

科学者らによると、CubeSat Gecko Imager のレンズなどの類似製品は 23,000 ユーロかかるが、彼らが開発している光学システムはそれよりはるかに安価になるという。

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