«Сделано в космосе»: 4 продукта, которые имеет смысл производить на орбите
Космос открыт для бизнеса, и некоторые предприниматели планируют превратить околоземное пространство в производственный центр. Интересных предложений много, но большая часть из них разбивается об одну серьезную проблему: для запуска килограмма материала в космос все еще требуется несколько тысяч долларов.
«Ключевой вопрос заключается в следующем: оправдаются ли расходы на изготовление этих вещей на низкой околоземной орбите?», — говорит Уильям Вагнер, директор Института регенеративной медицины Макгоуэна при Питтсбургском университете, который будет проводить биомедицинские исследования на Международной космической станции.
Вот некоторые предметы, которые через несколько лет вполне могут получить ярлык «сделано в космосе».
Современные оптоволоконные кабели создаются из фторидных стекол ZBLAN, которые имеют широкое окно прозрачности, малый показатель преломления и низкую температуру стеклования. Все это позволяет им на порядок снизить потери сигнала в сравнении с оптоволоконными кабелями, созданными из обычного для нас диоксида кремния.
Но качественные волокна ZBLAN трудно сделать на Земле. Когда расплавленное стекло растягивается в волокна толщиной с леску, а затем охлаждается, внутри него часто образуются крошечные кристаллы, которые могут ослаблять сигналы при передаче. Микрогравитация подавляет образование этих кристаллов, поэтому волокна, сделанные в космосе, смогут переносить больше данных на большие расстояния.
По словам Остина Джордана из компании Made in Space, которая планирует производить такие волокна в космосе для нужд наземных клиентов, возможность передавать больше данных плюс потребность в меньшем количестве ретрансляторов сможет оправдать более высокую цену, например, в случае с трансокеаническими кабелями. «Математика работает. Это окупится и принесет прибыль», — говорит он.
Две другие конкурирующие компании, Fiber Optic Manufacturing in Space и Physical Optics Corp., также планируют производить волокна ZBLAN на низкой околоземной орбите.
Печать органов
Только в России десятки тысяч человек ждут пересадки органов. «К сожалению, большинство ожидающих никогда не дождется свое очереди», — говорит Евгений Боланд, главный научный сотрудник Techshot, который предлагает печатать человеческие сердца в космосе.
Сердце с его четырьмя пустыми камерами и высокоорганизованной мышечной тканью, сделанной из разных типов клеток, практически невозможно напечатать на Земле. Ткани, напечатанные с помощью жидкого биогеля и стволовых клеток человека, разрушаются под воздействием собственного веса. Чтобы избежать этого, ученым приходится добавлять токсичные химические вещества или соединительные материалы.
Печать сердца и других органов в условиях микрогравитации может быть выполнена только с использованием чистого биогеля. «Цилиндрическая форма, выдавленная из сопла, сохраняется в условиях микрогравитации, поэтому вы можете построить более хрупкую 3D-структуру, которая позволит клеткам в геле создавать свою собственную матрицу и укреплять ее», — говорит Вагнер. К тому же, по словам Боланда, напечатанные в космосе слои сливаются вместе, не образуя борозд, видимых в конструкциях, напечатанных на Земле.
Компания Techshot, базирующаяся в Гринвилле, штат Индиана, сотрудничает с производителем 3D-биопринтеров nScrypt. Их первый совместный биопринтер отправился на МКС еще в июле, но небольшой кусочек сердечной мышцы, который он напечатал, не пережил повторного входа в атмосферу. Следующая миссия, начатая в ноябре, должна позволить создавать более толстую ткань, которую можно будет проверить на Земле, когда она вернется в январе следующего года.
Космическое пространство — идеальное место для изготовления металлических сплавов. Микрогравитация позволяет металлам и другим элементам смешиваться более равномерно.
Магниевые сплавы для медицинских имплантатов обладают особенно высоким потенциалом. При половине веса титановых сплавов магниевые сплавы более точно соответствуют плотности и прочности кости, и к тому же они безвредно разлагаются в организме, говорит профессор биоинженерии Питтсбургского университета Прашант Кумта, который сотрудничает с Techshot для производства своих запатентованных сплавов в высокотемпературной печи на МКС.
Изготовление этих сплавов включает в себя плавление высокореакционноспособного магния с другими элементами, такими как кальций и цинк, после чего поддержание расплавленных материалов в вакууме в течение длительного времени, чтобы элементы смешались равномерно, и, наконец, медленное охлаждение получившегося сплава.
На Земле примеси оседают на дно, а верхний слой окисляется, образуя непригодную для использования пленку. И то и другое приходится выбрасывать. Даже пригодный для использования средний слой имеет поры и карманы из несмешанных элементов, поэтому его приходится дополнительно обрабатывать, чтобы получить качественный материал. Ни одна из этих проблем не возникает, когда сплавы производятся в условиях микрогравитации.
То, что Techshot и nScrypt хотят сделать с человеческими органами, израильский продовольственный стартап Aleph Farms планирует сделать с мясом. Эта молодая компания из Реховота занимается производством бифштексов, которые на вкус и внешний вид выглядят как настоящие. «В то время как другие компании используют только мышечные клетки, мы также выращиваем соединительную ткань, кровеносные сосуды и жировые клетки, что позволяет нам добиться максимального сходства с оригиналом», — говорит Йоав Рейслер, менеджер по внешним связям в компании.
В сентябре Aleph Farms объединилась с российской компанией 3D Bioprinting Solutions, чтобы создать первый крошечный кусочек мяса на МКС. Конечно, это не бог весть какой огромный технический прогресс, но развитие этой технологии может помочь накормить космонавтов в длительных полетах, а также будущих космических поселенцев на постоянных базах на Марсе или Луне.
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.
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