Космическое производство - Space manufacturing

Видение будущей лунной базы, которую можно было бы создать и поддерживать с помощью 3D-печати.[1]
Кристаллы, выращенные американскими учеными на космической станции России Мир в 1995 г .: а) ромбоэдрический Канавалин, (б) креатинкиназа, (в) лизоцим, (г) говядина каталаза, (д) ​​свиной альфа-амилаза, (е) грибковая каталаза, (г) миклобин, (з) конканавалин B, (я) тауматин, (j) апоферритин, (к) вирус спутниковой табачной мозаики и (l) гексагональный канавалин.[2]
Сравнение инсулин рост кристаллов в космосе (слева) и на земной шар (верно).

Производство в космосе (ISM) включает в себя комплексный набор процессов, направленных на производство изготовлен товары в космической среде. ISM также часто используется как синоним производство на орбите учитывая, что текущие производственные возможности ограничены низкая околоземная орбита.

В пользу космического производства есть несколько причин:

  • Космическая среда, в частности влияние микрогравитация и вакуум, позволяют исследовать и производить товары, которые иначе не могли бы быть произведены на Земле.
  • Добыча и переработка сырья из других астрономические тела, также называемый Использование ресурсов на месте (ISRU) может обеспечить более устойчивые космические исследования при меньших затратах по сравнению с запуском всех необходимых ресурсов с Земли.
  • Сырье можно было бы транспортировать на низкую околоземную орбиту, где из него можно было бы перерабатывать в товары, которые отправлялись на Землю. Заменяя земное производство на Земле, это делается для сохранения Земли.
  • Сырье очень высокой ценности, например золото, серебро или платина, можно транспортировать на низкую околоземную орбиту для обработки или передачи на Землю, которая, как считается, может стать экономически жизнеспособной.

История

Вовремя Союз 6 миссия 1969 г., русский космонавты провели первые сварочные эксперименты в космосе. Были протестированы три различных процесса сварки с использованием аппаратного модуля Vulkan. Испытания включали сварку алюминий, титан, и нержавеющая сталь.

В Скайлаб Миссия, запущенная в мае 1973 года, служила лабораторией для проведения различных космических экспериментов. Станция была оборудована цехом обработки материалов с многоцелевым электрическим печь, а кристалл камера роста и электрон лучевая пушка. Среди предстоящих экспериментов были исследования по обработке расплавленного металла; фотографирование поведения воспламененных материалов в невесомости; рост кристаллов; переработка несмешиваемых сплавы; пайка из нержавеющая сталь трубки, электронно-лучевая сварка, а образование сфер из расплавленный металл. Во время полета экипаж потратил 32 человеко-часа на исследования в области материаловедения и космического производства.

В Институт космических исследований начал проводить двухгодичный Конференция по космическому производству в 1977 г.

Микрогравитационные исследования в области обработки материалов продолжились в 1983 году с использованием Spacelab средство. Этот модуль был выведен на орбиту 26 раз на борту Космический шатл, по состоянию на 2002 г.. В этой роли шаттл служил промежуточной краткосрочной исследовательской платформой до завершения Международная космическая станция.

Средство Wake Shield Facility развертывается космическим шаттлом. роботизированная рука. Изображение НАСА

В феврале 1994 г. и сентябре 1995 г. Объект Wake Shield был выведен на орбиту Космический шатл. Эта демонстрационная платформа использовала вакуум, создаваемый в орбитальном следе, для производства тонких пленок арсенид галлия и алюминий арсенид галлия.

31 мая 2005 г. извлекаемый беспилотный Фотон-М2 лаборатория выведена на орбиту. Среди экспериментов были рост кристаллов и поведение расплавленного металла в невесомости.

Завершение Международная космическая станция предоставил расширенные и улучшенные возможности для проведения промышленных исследований. Это привело и будет приводить к улучшению наших знаний в области материаловедения, новых производственных технологий на Земле и, возможно, к некоторым важным открытиям в методах космического производства. НАСА и Безлимитные Тетеры проверит на борту МКС рефабрикатор, предназначенный для переработки пластика для использования в космическом аддитивном производстве.[3]

Электромагнитный левитатор лаборатории материаловедения (MSL-EML) на борту Лаборатория Колумбуса - это научный объект, который можно использовать для изучения свойств плавления и затвердевания различных материалов. В Лаборатория гидродинамики (FSL) используется для изучения поведения жидкостей в условиях микрогравитации.[4]

Свойства материалов в космической среде

Есть несколько уникальных отличий между свойствами материалов в космосе по сравнению с такими же материалами на Земле. Эти различия можно использовать для создания уникальных или улучшенных технологий производства.

  • Среда микрогравитации позволяет контролировать конвекцию в жидкостях или газах и устранять осаждение. Диффузия становится основным средством смешивания материалов, позволяя смешивать несмешиваемые в противном случае материалы. Окружающая среда позволяет ускорить рост более крупных кристаллов более высокого качества в растворе.
  • Сверхчистый космический вакуум позволяет создавать очень чистые материалы и предметы. Использование осаждения из паровой фазы может быть использовано для создания слоев без дефектов.
  • Поверхностное натяжение заставляет жидкости в условиях микрогравитации образовывать идеально круглые сферы. Это может вызвать проблемы при перекачивании жидкости по трубопроводу, но это очень полезно, когда для приложения требуются идеальные сферы постоянного размера.
  • Пространство может обеспечить легко доступные крайности жары и холода. Солнечный свет может быть сфокусирован, чтобы сконцентрировать достаточно тепла, чтобы расплавить материалы, в то время как предметы, находящиеся в постоянной тени, подвергаются воздействию температур, близких к абсолютному нулю. Температурный градиент можно использовать для получения прочных стекловидных материалов.

Обработка материалов

Для большинства производственных приложений должны быть соблюдены определенные требования к материалам. Минеральная руды нужно быть изысканный извлечь конкретные металлы, и летучие органические соединения нужно будет очистить. В идеале это сырье доставляется на место переработки экономичным способом, когда время до прибытия движение энергия расходы и добыча затраты включены в планирование процесс. Минералы можно получить из астероиды, поверхность Луны или планетное тело. Летучие вещества потенциально могут быть получены из комета, углистый хондрит или астероиды "C-типа", или луны из Марс или другие планеты. Также может оказаться возможным извлечь водород в виде водяного льда или гидратированных минералов из холодных ловушек на полюсах Луна.

Если участки обработки материалов и производства не будут совмещены с объектами добычи ресурсов, сырье необходимо будет перемещать по Солнечная система. Есть несколько предлагаемых средств обеспечения движения для этого материала, в том числе солнечные паруса, электрические паруса, магнитные паруса, электрический ионные двигатели, или же массовые водители (последний метод использует последовательность электромагнитов, установленных в линию для ускорения проводящего материала).

На предприятии по переработке материалов поступающие материалы необходимо будет улавливать каким-либо образом. Маневрирующие ракеты, прикрепленные к нагрузке, могут размещать содержимое на соответствующей орбите. В качестве альтернативы, если груз движется на малой дельта-v относительно пункта назначения, то его можно захватить с помощью массовый ловец. Это может быть большая гибкая сетка или надувная конструкция, которая переносит импульс массы к большему объекту. Оказавшись на месте, материалы можно перемещать на место механическими средствами или с помощью небольших подруливающих устройств.

Материалы могут быть использованы для производства либо в сыром виде, либо путем их обработки для извлечения составляющих элементов. Технологии обработки включают различные химический, тепловой, электролитический, и магнитный методы разделения. В ближайшем будущем можно будет использовать относительно простые методы для извлечения алюминий, утюг, кислород, и кремний из лунных и астероидных источников. Менее концентрированные элементы, вероятно, потребуют более совершенного технологического оборудования, которому, возможно, придется подождать, пока полностью не будет создана инфраструктура космического производства.

Для некоторых химических процессов потребуется источник водород для производства воды и кислота смеси. Газообразный водород также можно использовать для извлечения кислорода из лунных источников. реголит, хотя процесс не очень эффективен.[требуется разъяснение ][нужна цитата ] Таким образом, легкодоступный источник полезных летучих веществ является положительным фактором в развитии космического производства. В качестве альтернативы кислород можно высвободить из лунного реголита без повторного использования каких-либо импортных материалов, нагревая реголит до 4530 ° F (2500 ° C) в вакууме. Это было проверено на Земле с лунным имитатором в вакуумной камере. До 20% образца было выделено в виде свободного кислорода. Эрик Кардифф называет остальное шлаком. Этот процесс очень эффективен с точки зрения импортных материалов, расходуемых на партию, но не является самым эффективным с точки зрения потребления энергии на килограмм кислорода.[5]

Один из предлагаемых методов очистки астероидных материалов заключается в использовании монооксид углерода (CO). Нагревание материала до 500 ° F (260 ° C) и воздействие на него CO приводит к образованию газообразных металлов. карбонилы. Затем этот пар можно перегонять, чтобы отделить металл компонентов, и CO может быть восстановлен с помощью другого цикла нагрева. Таким образом, автоматизированный корабль может соскребать рыхлый поверхностный материал, скажем, с относительно близких 4660 Нерей (в терминах дельта-v), переработать руду с использованием солнечного нагрева и CO и в конечном итоге вернуть с загрузкой почти чистого металла. Экономика этого процесса потенциально может позволить извлекать материал за одну двадцатую стоимости запуска с Земли, но для возврата любой добытой руды потребуется двухлетний перелет туда и обратно.[нужна цитата ]

Производство

Из-за скорость света ограничения на связь, производство в космосе в удаленной точке приобретения ресурсов потребует либо полностью автономной робототехники для выполнения работы, либо экипажа человека со всеми сопутствующими требованиями к среде обитания и безопасности. Если завод построен на орбите вокруг земной шар, или около пилотируемого космическая среда обитания, тем не мение, телехнические устройства может использоваться для определенных задач, требующих человеческого интеллекта и гибкости.

Солнечная энергия обеспечивает доступный источник энергии для термической обработки. Даже при использовании одного тепла простые термоплавкие материалы могут быть использованы для основного строительства стабильных конструкций. Сыпучий грунт с Луны или астероидов имеет очень низкое содержание воды и при плавлении с образованием стекловидных материалов очень прочен. Эти простые, стеклянный твердые тела могут использоваться для создания мест обитания на поверхности Луны или где-либо еще. Солнечная энергия может быть сконцентрирована в производственной зоне с помощью множества управляемых зеркала.

Доступность и благоприятные физические свойства металлов сделают их важным компонентом космического производства. Большинство методов обработки металлов, используемых на Земле, также могут быть адаптированы для космического производства. Некоторые из этих методов потребуют значительных изменений из-за микрогравитация среда.

Производство закаленных стали в космос введут некоторые новые факторы. Углерод только появляется в небольших количествах в материалах лунной поверхности, и его нужно будет доставить откуда-то еще. Одним из возможных источников являются отходы, переносимые людьми с Земли, а также кометы. Вода, обычно используемая для закалки стали, также будет в дефиците и потребует сильного перемешивания.

Кастинг сталь может быть трудным процессом в условиях микрогравитации, требующим специальных процессов нагрева и впрыска или формования центрифугированием. Обогрев можно производить с помощью солнечного света в сочетании с электронагревателями. Процесс литья также необходимо контролировать, чтобы избежать образования пустот при охлаждении и усадке стали.

Для придания металлу желаемой формы можно использовать различные методы обработки металла. Стандартные методы - это кастинг, Рисование, ковка, механическая обработка, прокатка, и сварка. Как прокат, так и волочение металлов требуют нагрева и последующего охлаждения. Для ковки и экструзии могут потребоваться механические прессы, так как гравитация недоступна. Электронно-лучевая сварка уже была продемонстрирована на борту Скайлаб, и, вероятно, будет предпочтительным методом в космосе. Операции обработки могут потребовать точных инструментов, которые необходимо будет импортировать с Земли на некоторое время.

Новые технологии космического производства изучаются в таких местах, как Marshall's Национальный центр перспективного производства. Исследуемые методы включают покрытия, которые можно распылять на поверхности в космосе с использованием комбинации тепла и кинетической энергии, а также изготовление электронно-лучевой формы в свободной форме.[6] частей. Подобные подходы, а также изучение свойств материалов, которые можно исследовать в орбитальной лаборатории, будут изучены на Международная космическая станция НАСА и Made In Space, Inc.[7]

3D-печать в космосе

Вариант 3D печать предметы в космосе имеют много преимуществ перед производством, расположенным на Земле. Благодаря технологиям 3D-печати, вместо того, чтобы экспортировать инструменты и оборудование с Земли в космос, астронавты имеют возможность напрямую производить необходимые предметы. Модели производства по требованию делают дальние космические путешествия более осуществимыми и самодостаточными, поскольку для космических экскурсий требуется меньше груза. Безопасность миссии также повышена.

В Сделано в космосе, Inc. 3D принтеры, который был запущен в 2014 г. Международная космическая станция, разработаны специально для условий невесомости или микрогравитации. Эта работа была награждена контрактом на инновации и исследования для малого бизнеса на этапе III.[8] Установка аддитивного производства будет использоваться НАСА проводить ремонт (в том числе при аварийных ситуациях), модернизацию и установку.[9] Made In Space перечисляет преимущества 3D-печати, такие как простота настройки, минимальные отходы сырья, оптимизированные детали, более быстрое время производства, интегрированная электроника, ограниченное взаимодействие с человеком и возможность изменения процесса печати.[9]

Эксперимент Refabricator, разрабатываемый Firmamentum, подразделением Tethers Unlimited, Inc. в рамках контракта NASA Phase III Small Business Innovation Research, объединяет систему рециркуляции и 3D-принтер для демонстрации производства замкнутого цикла в космосе на Международной космической станции (МКС).[10] Эксперимент Refabricator, запуск которого запланирован на МКС в начале 2018 года, позволит обрабатывать пластмассовое сырье с помощью нескольких циклов печати и переработки, чтобы оценить, сколько раз пластиковые материалы можно повторно использовать в условиях микрогравитации, прежде чем их полимеры разложатся до неприемлемого уровня.

Кроме того, 3D-печать в космосе также может учитывать печать блюд. НАСА Программа Advanced Food Technology в настоящее время изучает возможность печати продуктов питания с целью улучшения качества продуктов питания, содержания питательных веществ и разнообразия.[11]

Товары

Считается, что существует ряд полезных продуктов, которые потенциально могут быть произведены в космосе и принесут экономическую выгоду. Исследования и разработки необходимы для определения лучших товаров, которые будут производиться, и для поиска эффективных методов производства. Следующие продукты считаются потенциальными ранними кандидатами:

По мере развития инфраструктуры и снижения стоимости сборки часть производственных мощностей может быть направлена ​​на развитие расширенных объектов в космосе, включая более крупные производственные предприятия. Скорее всего, они потребуют использования лунных и астероидных материалов, и, таким образом, последуют за развитием шахтных баз.

Камень - это простейший продукт, который как минимум полезен для защиты от радиации. Его также можно впоследствии обработать для извлечения элементов для различных целей.

Вода из лунных источников, Астероиды, сближающиеся с Землей или же Марсианские луны считается относительно дешевым и простым в извлечении, и обеспечивает адекватную производительность для многих целей производства и транспортировки материалов. Разделение воды на водород и кислород может быть легко выполнено в небольших масштабах, но некоторые ученые[12] полагают, что изначально это не будет осуществляться в больших масштабах из-за большого количества оборудования и электроэнергии, необходимых для разделения воды и сжижения образующихся газов. Вода, используемая в паровых ракетах, дает удельный импульс около 190 секунд;[нужна цитата ] менее половины от водорода / кислорода, но этого достаточно для дельта-v, которые находятся между Марсом и Землей.[нужна цитата ] Вода полезна в качестве радиационной защиты и во многих химических процессах.

Керамика изготовленные из лунной или астероидной почвы, можно использовать для различных производственных целей.[нужна цитата ] Эти виды использования включают различные тепловые и электрические изоляторы, такие как тепловые экраны для полезных нагрузок, доставляемых на поверхность Земли.

Металлы можно использовать для сборки множества полезных продуктов, включая герметичные контейнеры (например, резервуары и трубы), зеркала для фокусировки солнечного света и тепловые радиаторы. Использование металлов в электрических устройствах потребует изоляторов для проводов, поэтому потребуется гибкий изолирующий материал, такой как пластик или стекловолокно.

Ожидается, что заметным продуктом космической промышленности станут солнечные батареи. Могут быть построены и собраны в космосе обширные массивы солнечной энергии. Поскольку конструкция не должна выдерживать нагрузки, которые будут испытываться на Земле, огромные массивы могут быть собраны из пропорционально меньшего количества материала. Сгенерированная энергия затем может использоваться для питания производственных объектов, жилых помещений, космических кораблей, лунных баз и даже передаваться коллекторам на Земле с помощью микроволны.

Другие возможности для космического производства включают топливо для космических кораблей, некоторые запасные части для космических кораблей и космических сред обитания и, конечно же, более крупные предприятия.[13] В конце концов, космические производственные мощности гипотетически могут стать почти самоокупаемыми, требуя лишь минимального импорта с Земли. Среда микрогравитации открывает новые возможности в строительстве в больших масштабах, в том числе: мегамасштабная инженерия. Эти будущие проекты могут потенциально собрать космические лифты, массивные фермы с солнечными батареями, космические корабли очень большой емкости и вращающиеся среды обитания, способные поддерживать десятки тысяч людей в условиях, подобных Земле.

Вызовы

Ожидается, что космическая среда будет благоприятной для производства разнообразной продукции, если можно будет преодолеть препятствия на пути к ней. Наиболее значительная стоимость - преодоление энергетического барьера для вывода материалов на орбиту. Как только этот барьер будет значительно снижен в стоимости за килограмм, начальная цена космического производства может сделать его гораздо более привлекательным для предпринимателей. После тяжелого капитализация сборки добыча полезных ископаемых и производственные мощности оплачиваются, производство должно быть экономически прибыльным, чтобы стать самодостаточным и приносить пользу обществу.

Экономические требования космического производства подразумевают необходимость сбора необходимого сырья при минимальных затратах энергии. Стоимость космического транспорта напрямую связана с дельта-v, или изменение скорости, необходимой для перемещения от участков добычи к предприятиям-производителям. Доставка материала на околоземную орбиту от таких тел, как Астероиды, сближающиеся с Землей, Фобос, Деймос или лунный поверхность требует гораздо меньше дельта-v, чем запуск с самой Земли, несмотря на большие расстояния. Это делает эти места экономически привлекательными как источники сырья.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Производство за пределами Земли: использование местных ресурсов для строительства нового дома». www.esa.int. Получено 9 сентября, 2020.
  2. ^ Koszelak, S; Лея, C; Макферсон, А (1996). "Кристаллизация биологических макромолекул из мгновенно замороженных образцов на космической станции" Мир ". Биотехнологии и биоинженерия. 52 (4): 449–58. Дои:10.1002 / (SICI) 1097-0290 (19961120) 52: 4 <449 :: AID-BIT1> 3.0.CO; 2-P. PMID  11541085.
  3. ^ Карро, Марк (14 ноября 2018 г.). "Грузовые экспедиции на МКС по испытанию" Союза "и доставке новой науки. Авиационная неделя. Исследователи из НАСА и Tethers Unlimited Inc. из Ботелла, штат Вашингтон, также сотрудничают в демонстрации Refabricator. Небольшое устройство размером с холодильник предназначено для переработки пластиковых отходов, в том числе упаковочных материалов, пакетов и пищевых контейнеров, в сырье для космического аддитивного производства или 3D-печати запасных частей и другого оборудования, которое в противном случае потребовало бы стартовой массы и объема.
  4. ^ «Лаборатория Колумба». ЕКА. 18 июля 2007 г.. Получено 18 июля, 2007.
  5. ^ "Дышащие лунные камни". Phys.org. 8 мая 2006 г.
  6. ^ Диллоу, Клэй (29 сентября 2009 г.). "ISS может получить свой собственный электронно-лучевой 3D-принтер". Популярная наука. Получено 24 ноября, 2015.
  7. ^ Басульто, Доминик. (26 июня 2013 г.) Будьте готовы, 3D-печать может появиться на ближайшей к вам планете. Вашингтон Пост. Проверено 24 ноября 2015.
  8. ^ «НАСА отправит в космос первый 3D-принтер» В архиве 1 июля 2014 г. Wayback Machine. Madeinspace.us (31 мая 2013 г.). Проверено 24 ноября 2015.
  9. ^ а б «Установка аддитивного производства для МКС: NASA SBIR, фаза 2» В архиве 13 ноября 2013 г. Wayback Machine. Madeinspace.us. Проверено 24 ноября, 2015.
  10. ^ Бойл, Алан (23 июня 2016 г.). «НАСА выбирает Firmamentum для создания трехмерного принтера / ресайклера для использования в космосе». GeekWire. Получено 21 сентября, 2016.
  11. ^ «3D-печать: еда в космосе». НАСА. 23 мая, 2013. Получено 24 ноября, 2015.
  12. ^ http://www.neofuel.com/
  13. ^ Скоморохов, Руслан; Хайн, Андреас Макото; Уэлч, Крис (5 сентября 2016 г.). "Производство космических аппаратов на орбите: краткосрочные бизнес-примеры". Международный космический университет / Инициатива межзвездных исследований. Цитировать журнал требует | журнал = (помощь)CS1 maint: использует параметр авторов (связь)

дальнейшее чтение

  • Эндрю Х. Катлер, Металлургические свойства лунных и астероидных сталей., 7-я Принстонская конференция / AIAA / SSI Conference, 1985.
  • Дэвид Гамп, Космическое предприятие: за пределами НАСАИздательство Praeger Publishers, 1990 г., ISBN  0-275-93314-8.
  • Т. А. Хеппенгеймер, Колонии в космосе, 1977, Книги Стэкпола, ISBN  0-8117-0397-5.
  • Льюис Дж., Мэтьюз М.С. и Герриери М.Л., редакторы, 1993, Ресурсы околоземного космоса, Университет Аризоны Press, 1993. ISBN  978-0-8165-1404-5.
  • Валь, Бруно В. (1968). Анализ избранных возможностей производства в космосе. Компания McDonald Douglas Astronautics.

внешняя ссылка