Производство оборудования для космоса

Космические аппараты и специальное оборудование для космического производства

Оборудование для космических экспериментов. Говоря о проблеме производства в космосе новых материалов, обычно имеют в виду пять направлений исследований и разработок:

1. Космическая металлургия.

2. Полупроводниковые материалы.

3. Стекло и керамика.

4. Медико-биологические препараты.

5. Исследование физических эффектов в условиях невесомости.

Первые четыре направления непосредственно нацелены на получение новых или улучшенных материалов и изделий на борту космических аппаратов (КА). Задача пятого направления состоит в развитии науки о поведении вещества в космических условиях с целью создания теоретических основ космического производства.

Проведение исследований во всех этих направлениях требует разработки специальных бортовых установок. Поэтому перед тем как перейти к разбору конкретных направлений, целесообразно рассмотреть, как обстоит дело с созданием специального оборудования для космических экспериментов. При этом мы ограничимся в данном разделе рассмотрением наиболее универсальных типов установок, которые могут быть использованы для решения ряда различных задач. Про те экспериментальные установки, которые имеют более узкое назначение или предназначены для выполнения конкретных исследований, удобнее рассказать, обсуждая сами эти исследования.

Для всех практических направлений, за исключением получения биологических препаратов, основная схема производственного процесса состоит в следующем. Исходный материал (сырье) подвергается на борту КА тепловой обработке, плавится или испаряется. Затем он затвердевает. Поскольку этот процесс происходит в условиях невесомости, то в соответствии с анализом, выполненным в предыдущей главе, можно ожидать улучшения характеристик конечного продукта. По этим причинам основной вариант технологического оборудования для обработки неорганических материалов — это нагревательные установки различных типов.

Для нагрева исходного материала можно использовать тепло экзотермических реакций[2]. Типичный нагреватель такого типа состоит из цилиндрического патрона, заполненного смесью химических веществ, и ампулы с исследуемым материалом, которая размещается по оси патрона. Для инициирования химической реакции обычно используется маломощный электрический импульс. Преимущество подобных установок состоит в том, что в них за сравнительно малые времена (секунды или десятки секунд) могут быть получены достаточно высокие температуры. Поэтому такие нагревательные установки находят применение в первую очередь в тех случаях, когда продолжительность состояния невесомости ограничена.

Другая разновидность нагревательных устройств для обработки материалов — электронагревные печи. Известно несколько конструктивно различных вариантов таких печей. В рабочей зоне изотермической печи поддерживается температура 1200–2400 °C. Для снижения расхода электроэнергии эта зона окружена многофольговой изоляцией, изготовленной из специальных материалов.

Для выращивания кристаллов необходимо, чтобы в печи имелась зона с перепадом температуры. На рис. 3 представлена одна из возможных схем установок подобного типа. Через зону с перепадом температуры протягивается ампула, содержащая исследуемое вещество. В точке, где достигается температура плавления, сырье плавится, а когда расплавленный материал попадает в область более низких температур, он начинает кристаллизоваться. Существующие установки такого типа обеспечивают температуру 1050–1150 °C, в проектируемых установках предполагается поднять ее до 2000 °C.

Рис. 3. Схема выращивания монокристаллов из расплава (1 — расплав; 2 — затравочный кристалл; 3 — механизмы вытягивания и вращения; 4 — шток; 5 — тигель; 6 — индуктор для нагрева расплава)

Недостаток установок подобной изображенной на рис. 3 состоит в том, что со стенок ампулы (тигля) в расплав могут поступать примеси, загрязняющие получаемый материал и ухудшающие его качество. На рис. 4 показана схема электронагревной печи, в которой использован метод зонной плавки, позволяющий частично устранить этот недостаток. В этой установке вещество также подвергается переплаву в зоне с перепадом температуры, но при этом оно не контактирует непосредственно со стенками ампулы. Нагрев может осуществляться с помощью токов высокой частоты, источников инфракрасного излучения или дуговых источников света, снабженных фокусирующими зеркалами и т. д. В последнем случае ампула изготавливается из прозрачного материала, например из кварца. Метод зонной плавки позволяет также обеспечить получение более высоких температур. Расплавленное вещество не касается стенок тигля и удерживается силами поверхностного натяжения. Поэтому максимальные размеры зоны определяются из условия баланса действующих на расплав массовых сил и сил поверхностного натяжения. Массовые силы на борту КА, обусловленные малыми ускорениями, много меньше силы тяжести. Это означает, что размеры расплавленной зоны в космических условиях и соответственно размеры кристаллов, получаемых в таких установках, могут быть значительно больше, чем на Земле.

Рис. 4. Метод зонной плавки (1 — расплавленная зона; 2 — индуктор; 3 — стенка печи; 4 — ампула; 5 — стержень исследуемого вещества; 6 — механизм протягивания и вращения стержня)

На рис. 5 представлена схема выращивания кристаллов из паровой фазы. Ампула размещается в печи с перепадом температуры таким образом, чтобы исходный материал оказался в горячей зоне. Массоперенос осуществляется в паровой фазе, а на холодном конце ампулы происходит его конденсация с образованием кристаллов. Парофазные методы используются, например, для получения эпитаксиальных пленок, которые широко применяются в электротехнике.

Эпитаксия — это осаждение монокристаллических пленок на монокристаллической подложке. Эпитаксиальная пленка как бы повторяет структуру подложки и представляет собой нечто вроде двумерного кристалла. Ее совершенство определяется, в частности, процессами конвекции в паровой фазе. Конвекция ведет к неконтролируемым условиям на поверхности растущего слоя и в конечном счете к дефектам кристаллической решетки. В космосе можно рассчитывать на ограничение роли конвекции и соответственно на повышение качества получаемых материалов.

Рис. 5. Схема выращивания кристаллов из паровой фазы

Ранее отмечалось, что в космических условиях возможно бесконтейнерное удержание жидкостей. Установки, в которых осуществляется этот процесс, называются левитаторами. Поскольку на борту КА действуют ускорения порядка 10 –5 — 10 –4 g₀, в левитаторах должны быть приняты меры по удержанию свободно плавающей жидкости в центре рабочей камеры. Для этой цели можно использовать ультразвуковые поля, аэродинамическое удержание или переменное электромагнитное поле. Последний метод пригоден лишь для проводящих материалов и не годится, например, для работы со стеклом. Нагрев материалов в левитаторе можно осуществить с помощью оптических нагревателей, токов высокой частоты, электронных пучков и т. д. Установки этого типа, очевидно, отличаются особой сложностью, но позволяют практически реализовать такое важное преимущество производства материалов в космосе, как их бесконтейнерная обработка. Левитаторы разных типов в настоящее время находятся в стадии разработки.

Эксперименты в области космической технологии. Впервые технологические космические эксперименты были осуществлены в 1969 г. в Советском Союзе. С этой целью в Институте электросварки им. Е. О. Патона была разработана специальная установка «Вулкан», предназначенная для изучения и отработки методов сварки и резки металлов на борту космических аппаратов. Установка «Вулкан» была размещена на борту космического корабля «Союз-6», и 16 октября 1969 г. экипаж корабля — летчики-космонавты СССР Г. С. Шонин и В. Н. Кубасов — успешно провели ее испытание.

В 1973–1974 гг. серия технологических экспериментов была осуществлена на американской космической станции «Скайлэб». Для проведения этих экспериментов в США была разработана специальная установка для обработки материалов. Эта установка включала в себя вакуумную камеру, электронную пушку для плавки образцов, электронагревную печь и другое оборудование. Разработанная для станции «Скайлэб» универсальная печь обеспечивала максимальную температуру 1050 °C и позволяла работать в различных температурных режимах (постоянная высокая температура, перепад температуры по длине ампулы, программированное охлаждение). Исследуемые образцы размещались в ампулах, которые устанавливались в печи космонавтами.

Следующим шагом на пути развертывания работ в области технологических экспериментов в космосе явилась совместная советско-американская программа «Союз» — «Аполлон» (ЭПАС). Во время полета этих кораблей в июле 1975 г. с помощью модифицированной электронагревной печи и установок для исследования методов получения чистых медико-биологических препаратов был осуществлен ряд новых технологических экспериментов.

Проведение технологических экспериментов было включено также в программу исследований на советской космической станции «Салют-5». С этой целью был разработан специальный комплект приборов — «Кристалл», «Диффузия», «Поток», «Сфера», «Реакция» (рис. 6), предназначенный для исследования широкого круга вопросов в области наук о веществе в космосе, а также для отработки методов пайки в космических условиях.

Технологические эксперименты с этими приборам были успешно выполнены в июле — августе 1976 г. летчиками-космонавтами СССР Б. В. Вольтовым и В. М. Жолобовым и в феврале 1977 г. — В. В. Горбатко Ю. Н. Глазковым.

Наряду с исследованиями, проводившимися на борту пилотируемых космических станций и кораблей, как в Советском Союзе, так и в США технологические эксперименты осуществлялись в автоматическом режиме при запусках высотных ракет.

Отличительная черта этих экспериментов — сравнительно ограниченная продолжительность состояния невесомости (5–7 мин на американских ракетах, около 10 мин — на советских). Поэтому для проведения таких экспериментов в Советском Союзе разработаны установки, в которых для плавления образцов используется тепло экзотермических реакций.

На американских высотных ракетах применяется электронагревательная ампульная печь, которая не может обеспечить столь же быстрого разогрева заготовок и которую поэтому приходится включать заблаговременно, до старта ракеты.

Исследования на высотных ракетах позволяют выполнять космические эксперименты более оперативно и на более простом оборудовании, и поэтому их следует рассматривать как полезное дополнение к работам на космических станциях и кораблях.

Рис. 6. Приборы для проведения технологических экспериментов на станции «Салют-5» (а — прибор «Кристалл»; б — прибор «Реакция»)

Космические аппараты и технологические модули. Перспектива развития работ в области технологии обработки материалов в космосе состоит в том, что от экспериментальных исследований будет осуществлен постепенный переход к полупромышленному производству на борту КА некоторых материалов, а затем и к производству в промышленном масштабе. Согласно зарубежным оценкам, можно ожидать, что к 1990 г. грузопоток продукции космического производства, а также необходимого оборудования достигнет нескольких десятков тонн в год.

Создание в СССР долговременной орбитальной станции «Салют» и экономичной системы ее транспортного обеспечения с помощью пилотируемых кораблей «Союз» и автоматических кораблей «Прогресс» открывает новые большие возможности для проведения технологических экспериментов, отработки необходимого оборудования, а также анализа технологических процессов в условиях длительной невесомости.

Разработка и совершенствование орбитальных пилотируемых комплексов, предназначенных для решения задач научного и прикладного характера, как известно, является магистральным направлением развития отечественной космонавтики. Одна из основных задач связана при этом с развитием наук о поведении вещества в условиях невесомости и с обеспечением потребностей производства материалов в космосе.

В рамках этой программы в Советском Союзе был осуществлен самый длительный в истории космонавтики полет орбитального научно-исследовательского комплекса «Салют-6» — «Союз», продолжавшийся 96 суток и успешно завершенный 16 марта 1978 г. На борту этого комплекса летчики-космонавты СССР Ю. В. Романенко, Г. М. Гречко, А. А. Губарев и летчик-космонавт ЧССР В. Ремек осуществили новые важные технологические эксперименты.

В дальнейшем, по мере возрастания грузопотоков, средства снабжения орбитальных научных комплексов будут совершенствоваться. Появятся новые грузовые корабли для доставки оборудования, приборов и заготовок из различных материалов на борт орбитальных комплексов. Изделия и материалы, полученные в космосе, будут доставляться в космос и возвращаться на Землю с помощью (многоразовых космических кораблей. В состав орбитальных комплексов будут входить специализированные технологические модули.

Некоторые технологические операции в космосе, например получение материалов сверхвысокой чистоты, требуют обеспечения глубокого вакуума. С этой целью в сочетании с ДОС можно использовать так называемый молекулярный экран, который с помощью специальной штанги размещается на расстоянии около 100 м от корабля. Диаметр экрана — 3 м.

Поскольку скорости теплового движения молекул остаточного газа меньше скорости поступательного движения корабля вместе с экраном по орбите (8 км/с), за экраном возникнет зона повышенного разрежения. Давление остаточного газа в этой зоне будет порядка 10 –13 — 10 –14 мм рт. ст.

Разработка транспортных космических кораблей, способных обеспечить экономически эффективные транспортные перевозки, создание долговременных орбитальных станций типа советских космических станций «Салют» открывают дорогу к сооружению в космосе действующих фабрик по производству истых материалов.

По мнению специалистов, подобные космические фабрики начнут действовать уже в 1990-х годах.

Примечания:

Экзотермическими называют такие химические реакции, которые идут с выделением тепла.

Источник

Космическое производство — Space manufacturing

Производство в космосе (ISM) включает в себя комплексный набор процессов, направленных на производство промышленных товаров в космической среде. ISM также часто используется взаимозаменяемо с термином «производство на орбите», учитывая, что текущие производственные возможности ограничены низкой околоземной орбитой .

В пользу космического производства есть несколько причин:

Космическая среда, в частности влияние микрогравитации и вакуума , позволяет исследовать и производить товары, которые иначе не могли бы быть произведены на Земле.
Добыча и обработка сырья из других астрономических тел , также называемая использованием ресурсов на месте (ISRU), могла бы 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 переработать в товары, которые будут отправлены 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.

СОДЕРЖАНИЕ

История

Во время полета » Союз-6″ в 1969 году российские космонавты выполнили первые сварочные эксперименты в космосе. Были протестированы три различных процесса сварки с использованием аппаратного модуля Vulkan. Испытания включали сварку алюминия , титана и нержавеющей стали .

Миссия Skylab , запущенная в мае 1973 года, служила лабораторией для проведения различных экспериментов в области космического производства. Станция была оборудована комплексом для обработки материалов, включающим многоцелевую электрическую печь , камеру для выращивания кристаллов и электронно- лучевую пушку. Среди предстоящих экспериментов были исследования по обработке расплавленного металла; фотографирование поведения воспламененных материалов в невесомости; рост кристаллов; обработка несмешивающихся сплавов ; пайка труб из нержавеющей стали , электронно-лучевая сварка и формирование сфер из расплавленного металла. Во время полета экипаж потратил 32 человеко-часа на исследования в области материаловедения и космического производства.

Институт космических исследований начал проводить проводимую два раза в год Конференцию по производству космической техники в 1977 году.

Микрогравитационные исследования в области обработки материалов продолжились в 1983 году на установке Spacelab . По состоянию на 2002 год этот модуль был выведен на орбиту 26 раз на борту космического шаттла . В этой роли шаттл служил временной, краткосрочной исследовательской платформой до завершения строительства Международной космической станции .

В феврале 1994 и сентябре 1995 года Wake Shield Facility был выведен на орбиту космическим шаттлом . Эта демонстрационная платформа использовала вакуум, создаваемый в орбитальном следе, для производства тонких пленок арсенида галлия и арсенида алюминия- галлия.

Читайте также: Вода ты просто космос

31 мая 2005 г. на орбиту была выведена извлекаемая беспилотная лаборатория « Фотон-М2» . Среди экспериментов были рост кристаллов и поведение расплавленного металла в невесомости.

Завершение строительства Международной космической станции позволило расширить и улучшить 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 Tethers Unlimited протестируют на борту МКС рефабрикатор, предназначенный для переработки пластика для использования в космическом аддитивном производстве.

Электромагнитный левитатор лаборатории материаловедения (MSL-EML) на борту лаборатории Колумбуса — это научный объект, который можно использовать для изучения свойств плавления и затвердевания различных материалов. Жидкости научная лаборатория (FSL) используется для изучения поведения жидкостей в условиях микрогравитации.

Свойства материалов в космической среде

Есть несколько уникальных отличий свойств материалов в космосе от свойств тех же материалов 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 можно использовать для создания слоев без дефектов.
Поверхностное натяжение заставляет жидкости в условиях микрогравитации образовывать идеально круглые сферы. Это может вызвать проблемы при перекачивании жидкости через трубопровод, но это очень полезно, когда для приложения требуются идеальные сферы постоянного размера.
Пространство может обеспечить легко доступные крайности жары и холода. Солнечный свет можно сфокусировать, чтобы сконцентрировать достаточно тепла, чтобы расплавить материалы, в то время как объекты, 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 соблюдаться определенные требования к материалам. Минеральные руды должны быть уточнены для извлечения конкретных металлов и летучие органические соединения должны быть очищены. В идеале это сырье доставляется на место переработки экономичным способом, где время до прибытия, затраты энергии на движение и затраты на добычу учитываются в процессе планирования . Минералы можно получить из астероидов , поверхности Луны или планетного тела. Летучие потенциально может быть получена из кометы , углеродистого хондрита или «C-типа» астероидов или лун с Марса или других планет. Также может оказаться возможным извлекать водород в виде водяного льда или гидратированных минералов из холодных ловушек на полюсах Луны .

Если обработка материалов и производственные площадки не будут совмещены с объектами добычи ресурсов, сырье необходимо будет перемещать по солнечной системе . Существует несколько предлагаемых средств обеспечения движения для этого материала, включая солнечные паруса , электрические паруса , магнитные паруса , электроионно- ионные двигатели , микроволновые электротермические двигатели или массовые двигатели (в этом последнем методе используется последовательность электромагнитов, установленных в линию для ускорения проводящего материал).

На предприятии по переработке материалов поступающие материалы необходимо улавливать каким-либо образом. Маневрирующие ракеты, прикрепленные к грузу, могут размещать содержимое на соответствующей орбите. В качестве альтернативы, если груз движется с малой дельта-v относительно пункта назначения, его можно уловить с помощью улавливателя массы . Он может состоять из большой гибкой сетки или надувной конструкции, которая будет передавать импульс массы большему объекту. Оказавшись на месте, материалы можно перемещать на место механическими средствами или с помощью небольших подруливающих устройств.

Материалы могут использоваться для производства либо в сыром виде, либо путем их обработки для извлечения составляющих элементов. Технологии обработки включают различные химические , термические , электролитические и магнитные методы разделения. В ближайшем будущем можно будет использовать относительно простые методы для извлечения алюминия , железа , кислорода и кремния из лунных и астероидных источников. Менее концентрированные элементы, вероятно, потребуют более совершенного технологического оборудования, которому, возможно, придется подождать, пока инфраструктура космического производства не будет полностью развита.

Для некоторых химических процессов потребуется источник водорода для производства смесей воды и кислоты . Газообразный водород также можно использовать для извлечения кислорода из лунного реголита , хотя этот процесс не очень эффективен. 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.

Один из предлагаемых методов очистки астероидных материалов — использование окиси углерода (CO). Нагревание материала до 500 ° F (260 ° C) и воздействие на него CO приводит к образованию газообразных карбонилов металлов . Затем этот пар можно перегонять, чтобы отделить металлические компоненты, и затем CO можно извлечь с помощью другого цикла нагрева. Таким образом, автоматизированный корабль может соскребать рыхлый поверхностный материал, скажем, с относительно близкого 4660 Nereus (в терминах дельта-v), обрабатывать руду с помощью солнечного нагрева и CO и в конечном итоге возвращаться с грузом 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.

Производство

Из- за ограничений скорости передачи данных для производства в космосе в удаленной точке сбора ресурсов потребуется либо полностью автономная робототехника для выполнения работы, либо человеческий экипаж со всеми сопутствующими требованиями к среде обитания и безопасности. Однако, если установка построена на орбите вокруг Земли или вблизи обитаемой космической среды обитания , телехнические устройства могут использоваться для определенных задач, требующих человеческого интеллекта и гибкости.

Солнечная энергия является легкодоступным источником энергии для термической обработки. Даже при использовании одного тепла простые термоплавкие материалы могут быть использованы для базового 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 стеклянные твердые тела можно использовать для создания мест обитания на поверхности Луны или где-либо еще. Солнечная энергия может быть сконцентрирована в производственной зоне с помощью набора управляемых зеркал .

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 условий микрогравитации .

Производство закаленной стали в космосе привнесет ряд новых факторов. Углерод появляется только 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.

Отливка стали может быть сложным процессом в условиях микрогравитации, требующим специальных процессов нагрева и впрыска или формования центрифугированием. Обогрев можно производить с помощью солнечного света в сочетании с электронагревателями. Также необходимо управлять процессом литья, чтобы избежать образования пустот при охлаждении и усадке стали.

Для придания металлу желаемой формы можно использовать различные методы обработки металла. Стандартные методы — это литье, волочение , 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, поскольку сила тяжести недоступна. Электронно-лучевая сварка уже была продемонстрирована на борту Skylab 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 Национальный центр перспективного производства им . Маршалла . Исследуемые методы включают в себя покрытия, которые можно распылять на поверхности в космосе с использованием комбинации тепла и кинетической энергии, а также изготовление деталей без использования электронного луча. Подобные подходы, а также исследование свойств материалов, которые можно исследовать в орбитальной лаборатории, будут изучены на Международной космической станции NASA и Made In Space, Inc.

3D-печать в космосе

Возможность 3D-печати предметов в космосе имеет много преимуществ по сравнению с производством 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 космические путешествия на большие расстояния более осуществимыми и самодостаточными, поскольку для космических экскурсий требуется меньше груза. Безопасность миссии также улучшена.

Made In Space, Inc. 3D принтеры , который был запущен в 2014 году на Международной космической станции , разработаны специально для нулевой гравитации или микрогравитации окружающей среды. Проект был награжден контрактом на инновации и исследования для малого бизнеса. Установка аддитивного производства будет использоваться НАСА для проведения ремонта (в том числе во время чрезвычайных ситуаций), модернизации и установки. 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.

Эксперимент Refabricator, разрабатываемый Firmamentum, подразделением Tethers Unlimited, Inc. по контракту NASA Phase III Small Business Innovation Research, сочетает в себе систему рециркуляции и 3D-принтер для демонстрации производства замкнутого цикла в космосе на Международном форуме. Космическая станция (МКС). Эксперимент Refabricator, который был доставлен на МКС на борту Cygnus NG-10 19 ноября, обрабатывает 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 недопустимые уровни.

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

Продукты

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 — самый простой продукт, который, как минимум, полезен для защиты от радиации. Его также можно впоследствии обработать для извлечения элементов для различных целей.

Считается, что вода из лунных источников, астероидов , сближающихся с Землей или марсианских спутников, относительно дешевая и простая в извлечении, а также обеспечивает адекватную производительность для многих целей производства и доставки материалов. Разделение воды на водород и кислород может быть легко выполнено в небольшом масштабе, но некоторые ученые считают, что это не будет выполнено в каком-либо крупном масштабе изначально из-за большого количества оборудования и электроэнергии, необходимой для разделения воды и сжижения образующихся газов. Вода, используемая в паровых ракетах, дает удельный импульс около 190 секунд; менее половины от водорода / кислорода, но этого достаточно для дельта-v, которые находятся между Марсом и Землей. Вода полезна в качестве радиационной защиты и во многих химических процессах.

Керамику из лунного или астероидного грунта можно использовать для различных производственных целей. Эти виды использования включают различные тепловые и электрические изоляторы, такие как тепловые экраны для грузов, 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 для электрических устройств 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 могут возникнуть на Земле, огромные массивы могут быть собраны из пропорционально меньшего количества материала. Сгенерированная энергия затем может быть использована для питания производственных предприятий, жилых помещений, космических кораблей, лунных баз и даже направлена на земные коллекторы с помощью микроволн .

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 заводы. В конечном итоге космические производственные мощности гипотетически могут стать почти самоокупаемыми, требуя лишь минимального импорта с Земли. Среда микрогравитации открывает новые возможности в строительстве в больших масштабах, включая мегамасштабную инженерию . 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 полезна для производства разнообразной продукции, если можно будет преодолеть препятствия на пути к ней. Самая большая цена — преодоление энергетического барьера для вывода материалов на орбиту. Как только этот барьер будет значительно снижен в стоимости килограмма , начальная цена на космическое производство может сделать его гораздо более привлекательным для предпринимателей. После того, как будут оплачены большие капитальные затраты на сборку горнодобывающих и производственных мощностей, производство должно будет быть экономически прибыльным, чтобы стать самодостаточным и приносить пользу обществу.

Экономические требования космического производства предполагают необходимость сбора необходимого сырья с минимальными затратами энергии. Стоимость космического транспорта напрямую связана с дельта-v , или изменением скорости, необходимой для перемещения от мест добычи к производственным предприятиям. Для доставки материала на околоземную орбиту от таких тел, как околоземные астероиды , Фобос , Деймос или с поверхности Луны, требуется гораздо меньше дельта-v, чем для запуска с самой Земли, несмотря на большие расстояния. Это делает эти места экономически привлекательными как источники сырья.

Источник