Weltraumfertigung - Space manufacturing

Eine Vision einer zukünftigen Mondbasis, die mittels 3D-Druck hergestellt und gewartet werden könnte.
Von amerikanischen Wissenschaftlern 1995 auf der russischen Raumstation Mir gezüchtete Kristalle : (a) rhomboedrisches Canavalin , (b) Kreatinkinase , (c) Lysozym , (d) Rinderkatalase , (e) Schweine- Alpha-Amylase , (f) Pilzkatalase, (g) Myglobin, (h) Concanavalin B , (i) Thaumatin , (j) Apo- Ferritin , (k) Satelliten-Tabakmosaikvirus und (l) hexagonales Canavalin.
Vergleich des Wachstums von Insulinkristallen im Weltraum (links) und auf der Erde (rechts).

In-Space Fertigung (ISM) beinhaltet eine umfassende Reihe von Prozessen bei der Herstellung von gezielt hergestellten Waren in der Weltraumumgebung. ISM wird auch oft synonym mit dem Begriff In-Orbit-Fertigung verwendet, da die derzeitigen Produktionskapazitäten auf die erdnahe Umlaufbahn beschränkt sind .

Es gibt mehrere Gründe, die die Fertigung im Weltraum unterstützen:

  • Die Weltraumumgebung, insbesondere die Auswirkungen von Mikrogravitation und Vakuum , ermöglichen die Erforschung und Produktion von Gütern, die sonst auf der Erde nicht hergestellt werden könnten.
  • Die Gewinnung und Verarbeitung von Rohstoffen aus anderen astronomischen Körpern , auch In-Situ-Ressourcennutzung (ISRU) genannt, könnte nachhaltigere Weltraumerkundungsmissionen zu geringeren Kosten ermöglichen als der Start aller erforderlichen Ressourcen von der Erde aus.
  • Rohstoffe könnten in eine niedrige Erdumlaufbahn transportiert werden, wo sie zu Gütern verarbeitet werden könnten, die zur Erde verschifft werden. Durch den Ersatz der terrestrischen Produktion auf der Erde soll die Erde erhalten werden.
  • Rohstoffe von sehr hohem Wert, zum Beispiel Gold, Silber oder Platin, könnten zur Verarbeitung in eine erdnahe Umlaufbahn transportiert oder zur Erde transportiert werden, von der angenommen wird, dass sie das Potenzial hat, wirtschaftlich rentabel zu werden.

Geschichte

Während der Sojus-6- Mission von 1969 führten russische Kosmonauten die ersten Schweißexperimente im Weltraum durch. Drei verschiedene Schweißverfahren wurden mit einer Hardware-Einheit namens Vulkan getestet. Die Tests umfassten das Schweißen von Aluminium , Titan und Edelstahl .

Die im Mai 1973 gestartete Skylab- Mission diente als Labor, um verschiedene Experimente zur Weltraumfertigung durchzuführen. Die Station war mit einer Materialbearbeitungsanlage ausgestattet, die einen Mehrzweck- Elektroofen , eine Kristallzüchtungskammer und eine Elektronenstrahlkanone umfasste . Zu den durchzuführenden Experimenten gehörten Untersuchungen zur Verarbeitung von geschmolzenem Metall; Fotografieren des Verhaltens von entzündeten Materialien in der Schwerelosigkeit; Kristallwachstum; Verarbeitung nicht mischbarer Legierungen ; Löten von Edelstahlrohren , Elektronenstrahlschweißen und die Bildung von Kugeln aus geschmolzenem Metall. Die Besatzung verbrachte während der Mission insgesamt 32 Arbeitsstunden mit Materialwissenschaften und Untersuchungen zur Weltraumfertigung.

Das Space Studies Institute begann 1977 mit der Ausrichtung einer halbjährlichen Space Manufacturing Conference .

Die Mikrogravitationsforschung in der Materialverarbeitung wurde 1983 mit der Spacelab- Anlage fortgesetzt . Dieses Modul wurde seit 2002 26 Mal an Bord des Space Shuttles in die Umlaufbahn gebracht . In dieser Funktion diente das Shuttle vor der Fertigstellung der Internationalen Raumstation als vorübergehende Forschungsplattform für kurze Zeit .

Die Wake Shield Facility wird vom Roboterarm des Space Shuttles eingesetzt . NASA-Bild

Im Februar 1994 und September 1995 wurde die Wake Shield Facility vom Space Shuttle in die Umlaufbahn gebracht . Diese Demonstrationsplattform nutzte das im Orbitalschlepp erzeugte Vakuum, um dünne Filme aus Galliumarsenid und Aluminiumgalliumarsenid herzustellen .

Am 31. Mai 2005 wurde das bergbare, unbemannte Foton-M2- Labor in die Umlaufbahn gebracht. Zu den Experimenten gehörten das Kristallwachstum und das Verhalten von Metallschmelzen in der Schwerelosigkeit.

Die Fertigstellung der Internationalen Raumstation ISS hat erweiterte und verbesserte Einrichtungen für die Durchführung industrieller Forschung geschaffen. Diese haben und werden auch weiterhin zu Verbesserungen unseres Wissens in den Materialwissenschaften, neuen Fertigungstechniken auf der Erde und möglicherweise zu einigen wichtigen Entdeckungen bei Weltraumfertigungsmethoden führen. NASA und Tethers Unlimited werden den Refabricator an Bord der ISS testen, der Kunststoff für die additive Fertigung im Weltraum recyceln soll.

Der Material Science Laboratory Electromagnetic Levitator (MSL-EML) an Bord des Columbus Laboratory ist eine wissenschaftliche Einrichtung, mit der die Schmelz- und Erstarrungseigenschaften verschiedener Materialien untersucht werden können. Das Fluid Science Laboratory (FSL) wird verwendet, um das Verhalten von Flüssigkeiten in der Mikrogravitation zu untersuchen.

Materialeigenschaften in der Weltraumumgebung

Es gibt mehrere einzigartige Unterschiede zwischen den Eigenschaften von Materialien im Weltraum im Vergleich zu den gleichen Materialien auf der Erde. Diese Unterschiede können ausgenutzt werden, um einzigartige oder verbesserte Herstellungstechniken herzustellen.

  • Die Mikrogravitationsumgebung ermöglicht die Kontrolle der Konvektion in Flüssigkeiten oder Gasen und die Beseitigung von Sedimentation. Die Diffusion wird zum primären Mittel der Materialmischung, wodurch ansonsten nicht mischbare Materialien miteinander vermischt werden können. Die Umgebung ermöglicht ein verbessertes Wachstum von größeren Kristallen höherer Qualität in Lösung.
  • Das ultrareine Vakuum des Weltraums ermöglicht die Herstellung von sehr reinen Materialien und Objekten. Durch Aufdampfen lassen sich Materialien Schicht für Schicht fehlerfrei aufbauen.
  • Die Oberflächenspannung bewirkt, dass Flüssigkeiten in Mikrogravitation perfekt runde Kugeln bilden. Dies kann beim Versuch, Flüssigkeiten durch eine Leitung zu pumpen, zu Problemen führen, ist jedoch sehr nützlich, wenn für eine Anwendung perfekte Kugeln mit gleichbleibender Größe benötigt werden.
  • Der Weltraum kann leicht verfügbare Extreme von Hitze und Kälte liefern. Sonnenlicht kann fokussiert werden, um genügend Wärme zu konzentrieren, um die Materialien zu schmelzen, während Objekte, die im ewigen Schatten gehalten werden, Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt ausgesetzt sind. Der Temperaturgradient kann ausgenutzt werden, um starke, glasige Materialien herzustellen.

Materialbearbeitung

Für die meisten Fertigungsanwendungen müssen spezifische Materialanforderungen erfüllt werden. Mineralerzen werden müssen verfeinert spezifische extrahieren Metalle und flüchtige organische Verbindungen müssen gereinigt werden. Im Idealfall werden diese Rohstoffe zur Verarbeitungsstelle auf wirtschaftliche Weise geliefert, wo die Zeit der Ankunft, Antriebsenergieaufwand und Extraktionskosten in die einkalkuliert werden Planungsprozess. Mineralien können aus Asteroiden , der Mondoberfläche oder einem Planetenkörper gewonnen werden. Flüchtige Stoffe könnten möglicherweise von einem Kometen , kohlenstoffhaltigen Chondriten oder "C-Typ"-Asteroiden oder den Monden des Mars oder anderer Planeten gewonnen werden. Es könnte auch möglich sein, Wasserstoff in Form von Wassereis oder hydratisierten Mineralien aus Kühlfallen an den Polen des Mondes zu gewinnen .

Sofern die Materialverarbeitungs- und Produktionsstätten nicht zusammen mit den Ressourcengewinnungsanlagen angesiedelt sind, müssten die Rohstoffe über das Sonnensystem transportiert werden . Es gibt mehrere vorgeschlagene Antriebsmittel für dieses Material, einschließlich Sonnensegel , elektrische Segel , magnetische Segel , elektrische Ionen-Triebwerke , elektrothermische Mikrowellen-Triebwerke oder Massenantriebe (diese letzte Methode verwendet eine Reihe von Elektromagneten, die in einer Linie montiert sind, um eine Leitung zu beschleunigen). Material).

In der Materialverarbeitungsanlage müssen die eingehenden Materialien auf irgendeine Weise erfasst werden. Manövrierraketen, die an der Ladung befestigt sind, können den Inhalt in einer passenden Umlaufbahn parken. Bewegt sich die Last alternativ mit einem geringen Delta-v relativ zum Zielort, kann sie mittels eines Massenfängers erfasst werden . Dies könnte aus einem großen, flexiblen Netz oder einer aufblasbaren Struktur bestehen, die den Schwung der Masse auf die größere Einrichtung übertragen würde. Sobald die Materialien an Ort und Stelle sind, können sie mechanisch oder mit kleinen Triebwerken in Position gebracht werden.

Materialien können entweder in ihrer Rohform zur Herstellung verwendet werden oder indem sie verarbeitet werden, um die Bestandteile zu extrahieren. Die Verarbeitungstechniken umfassen verschiedene chemische , thermische , elektrolytische und magnetische Verfahren zur Trennung. Kurzfristig können relativ einfache Methoden verwendet werden, um Aluminium , Eisen , Sauerstoff und Silizium aus Mond- und Asteroidenquellen zu extrahieren . Weniger konzentrierte Elemente werden wahrscheinlich fortschrittlichere Verarbeitungsanlagen erfordern, die möglicherweise warten müssen, bis eine Weltraumfertigungsinfrastruktur vollständig entwickelt ist.

Einige der chemischen Prozesse erfordern eine Wasserstoffquelle zur Herstellung von Wasser- Säure- Gemischen. Wasserstoffgas kann auch verwendet werden, um Sauerstoff aus dem Mondregolith zu extrahieren , obwohl das Verfahren nicht sehr effizient ist. Daher ist eine leicht verfügbare Quelle nützlicher flüchtiger Stoffe ein positiver Faktor bei der Entwicklung der Weltraumfertigung. Alternativ kann Sauerstoff aus dem Mond-Regolith freigesetzt werden, ohne importierte Materialien wiederzuverwenden, indem der Regolith im Vakuum auf 4.530 ° F (2.500 ° C) erhitzt wird. Dies wurde auf der Erde mit Mondsimulanz in einer Vakuumkammer getestet. Bis zu 20 % der Probe wurden als freier Sauerstoff freigesetzt. Eric Cardiff nennt den Rest Schlacke. Dieses Verfahren ist hinsichtlich des Verbrauchs importierter Materialien pro Charge hocheffizient, jedoch nicht das energieeffizienteste Verfahren pro Kilogramm Sauerstoff.

Ein vorgeschlagenes Verfahren zur Reinigung von Asteroidenmaterialien ist die Verwendung von Kohlenmonoxid (CO). Das Erhitzen des Materials auf 500 ° F (260 ° C) und das Aussetzen von CO führt dazu, dass die Metalle gasförmige Carbonyle bilden . Dieser Dampf kann dann destilliert werden, um die Metallkomponenten abzutrennen, und das CO kann dann durch einen weiteren Heizzyklus zurückgewonnen werden. So kann ein automatisiertes Schiff loses Oberflächenmaterial von beispielsweise dem relativ nahe gelegenen 4660 Nereus (in Delta-V-Begriffen) abkratzen , das Erz mithilfe von Sonnenwärme und CO verarbeiten und schließlich mit einer Ladung fast reinen Metalls zurückkehren. Die Wirtschaftlichkeit dieses Prozesses kann es möglicherweise ermöglichen, das Material zu einem Zwanzigstel der Kosten für den Start von der Erde zu gewinnen, aber es würde eine zweijährige Rundreise erfordern, um abgebautes Erz zurückzugeben.

Herstellung

Aufgrund von Lichtgeschwindigkeitsbeschränkungen bei der Kommunikation erfordert die Fertigung im Weltraum an einem entfernten Punkt der Ressourcenbeschaffung entweder eine vollständig autonome Robotik, um die Arbeit zu verrichten, oder eine menschliche Besatzung mit allen begleitenden Lebensraum- und Sicherheitsanforderungen. Wenn die Anlage jedoch in einer Umlaufbahn um die Erde oder in der Nähe eines bemannten Weltraumhabitats gebaut wird, können Teleroboter für bestimmte Aufgaben verwendet werden, die menschliche Intelligenz und Flexibilität erfordern.

Solarenergie bietet eine leicht verfügbare Energiequelle für die thermische Verarbeitung. Auch mit Wärme allein lassen sich einfache thermisch verschmolzene Materialien für die Grundkonstruktion stabiler Konstruktionen verwenden. Erdmassen vom Mond oder von Asteroiden haben einen sehr geringen Wassergehalt und sind, wenn sie zu glasigen Materialien geschmolzen werden, sehr haltbar. Diese einfachen, glasigen Feststoffe können zum Aufbau von Lebensräumen auf der Mondoberfläche oder anderswo verwendet werden. Die Sonnenenergie kann über eine Reihe von lenkbaren Spiegeln im Fertigungsbereich konzentriert werden .

Die Verfügbarkeit und die günstigen physikalischen Eigenschaften von Metallen werden sie zu einem wichtigen Bestandteil der Weltraumfertigung machen. Die meisten der auf der Erde verwendeten Metallhandhabungstechniken können auch für die Weltraumfertigung übernommen werden. Einige dieser Techniken erfordern aufgrund der Mikrogravitationsumgebung erhebliche Modifikationen .

Die Produktion von gehärtetem Stahl im Weltraum wird einige neue Faktoren mit sich bringen. Kohlenstoff kommt nur in geringen Anteilen in Materialien der Mondoberfläche vor und muss von anderswo geliefert werden. Abfallstoffe, die der Mensch von der Erde mitnimmt, sind eine mögliche Quelle, ebenso wie Kometen. Das Wasser, das normalerweise zum Abschrecken von Stahl verwendet wird, ist ebenfalls knapp und erfordert starkes Rühren.

Das Gießen von Stahl kann unter Mikrogravitation ein schwieriger Prozess sein, der spezielle Erwärmungs- und Einspritzprozesse oder Rotationsformen erfordert. Das Heizen kann mit Sonnenlicht in Kombination mit elektrischen Heizgeräten erfolgen. Der Gießprozess müsste auch so gesteuert werden, dass die Bildung von Hohlräumen beim Abkühlen und Schrumpfen des Stahls vermieden wird.

Verschiedene Metallbearbeitungstechniken können verwendet werden, um das Metall in die gewünschte Form zu bringen. Die Standardverfahren sind Gießen, Ziehen , Schmieden , Bearbeiten , Walzen und Schweißen . Sowohl Walz- als auch Ziehmetalle erfordern eine Erwärmung und anschließende Kühlung. Schmieden und Strangpressen können angetriebene Pressen erfordern, da die Schwerkraft nicht verfügbar ist. Das Elektronenstrahlschweißen wurde bereits an Bord des Skylab demonstriert und wird wahrscheinlich die Methode der Wahl im Weltraum sein. Bearbeitungsvorgänge können Präzisionswerkzeuge erfordern, die für einige Zeit von der Erde importiert werden müssen.

An Orten wie dem National Center for Advanced Manufacturing in Marshall werden neue Technologien zur Weltraumfertigung untersucht . Zu den untersuchten Methoden gehören Beschichtungen, die mit einer Kombination aus Wärme und kinetischer Energie auf Oberflächen im Weltraum aufgesprüht werden können, sowie die Elektronenstrahl-Freiformfertigung von Teilen. Ansätze wie diese sowie die Untersuchung von Materialeigenschaften, die in einem umlaufenden Labor untersucht werden können, werden auf der Internationalen Raumstation ISS von der NASA und Made In Space, Inc. untersucht.

3D-Druck im Weltraum

Die Möglichkeit des 3D-Druckens von Gegenständen im Weltraum bietet viele Vorteile gegenüber der Herstellung auf der Erde. Mit 3D-Drucktechnologien haben Astronauten die Möglichkeit, benötigte Gegenstände direkt herzustellen, anstatt Werkzeuge und Ausrüstung von der Erde in den Weltraum zu exportieren. On-Demand-Fertigungsmuster machen Langstrecken-Raumfahrt machbarer und autarker, da Weltraumausflüge weniger Fracht erfordern. Die Missionssicherheit wird ebenfalls verbessert.

Die 3D-Drucker von Made In Space, Inc. , die 2014 zur Internationalen Raumstation ISS gestartet wurden , sind speziell für eine Schwerelosigkeits- oder Mikrogravitationsumgebung konzipiert. Die Bemühungen wurden mit dem Phase III Small Business Innovation and Research Contract ausgezeichnet. Die Additive Manufacturing Facility wird von der NASA genutzt , um Reparaturen (auch in Notsituationen), Upgrades und Installationen durchzuführen. Made In Space listet die Vorteile des 3D-Drucks auf, wie einfache Anpassung, minimale Rohstoffverschwendung, optimierte Teile, schnellere Produktionszeit, integrierte Elektronik, begrenzte menschliche Interaktion und die Möglichkeit, den Druckprozess zu ändern.

Das Refabricator-Experiment, das von Firmamentum, einer Abteilung von Tethers Unlimited, Inc., im Rahmen eines Phase-III-Small Business Innovation Research-Vertrags der NASA entwickelt wird, kombiniert ein Recyclingsystem und einen 3D-Drucker, um eine Demonstration der Herstellung im Weltraum mit geschlossenem Kreislauf auf dem Internationalen Raumstation (ISS). Das Refabricator-Experiment, das am 19. November an Bord von Cygnus NG-10 an die ISS geliefert wurde , verarbeitet Kunststoffrohstoffe durch mehrere Druck- und Recyclingzyklen, um zu bewerten, wie oft die Kunststoffmaterialien in der Mikrogravitationsumgebung wiederverwendet werden können, bevor ihre Polymere zu inakzeptable Niveaus.

Darüber hinaus kann der 3D-Druck im Weltraum auch für das Drucken von Mahlzeiten verantwortlich sein. Das Advanced Food Technology-Programm der NASA untersucht derzeit die Möglichkeit, Lebensmittel zu drucken, um die Qualität, den Nährstoffgehalt und die Vielfalt der Lebensmittel zu verbessern.

Produkte

Es wird angenommen, dass es eine Reihe nützlicher Produkte gibt, die potenziell im Weltraum hergestellt werden können und zu einem wirtschaftlichen Vorteil führen. Forschung und Entwicklung sind erforderlich, um die besten zu produzierenden Rohstoffe zu ermitteln und effiziente Produktionsverfahren zu finden. Die folgenden Produkte gelten als potenzielle Frühkandidaten:

Wenn die Infrastruktur entwickelt wird und die Montagekosten sinken, kann ein Teil der Fertigungskapazität in die Entwicklung erweiterter Einrichtungen im Weltraum, einschließlich größerer Fertigungsanlagen, gelenkt werden. Diese werden wahrscheinlich die Verwendung von Mond- und Asteroidenmaterialien erfordern und folgen daher der Entwicklung von Bergbaubasen.

Gestein ist das einfachste Produkt und mindestens nützlich für die Strahlenabschirmung. Es kann auch nachträglich verarbeitet werden, um Elemente für verschiedene Zwecke zu extrahieren.

Wasser aus Mondquellen, erdnahen Asteroiden oder Marsmonden gilt als relativ billig und einfach zu extrahieren und bietet eine angemessene Leistung für viele Herstellungs- und Materialtransportzwecke. Die Trennung von Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff kann leicht in kleinem Maßstab durchgeführt werden, aber einige Wissenschaftler glauben, dass dies aufgrund der großen Menge an Ausrüstung und elektrischer Energie, die zur Spaltung von Wasser und zur Verflüssigung der resultierenden Gase erforderlich ist, zunächst nicht in großem Maßstab durchgeführt werden kann. Wasser, das in Dampfraketen verwendet wird, gibt einen spezifischen Impuls von etwa 190 Sekunden; weniger als die Hälfte von Wasserstoff/Sauerstoff, aber dies ist ausreichend für Delta-Vs, die zwischen Mars und Erde gefunden werden. Wasser ist als Strahlenschutz und in vielen chemischen Prozessen nützlich.

Keramik aus Mond- oder Asteroidenerde kann für eine Vielzahl von Herstellungszwecken verwendet werden. Diese Verwendungen umfassen verschiedene thermische und elektrische Isolatoren, wie beispielsweise Hitzeschilde für Nutzlasten, die an die Erdoberfläche geliefert werden.

Metalle können verwendet werden, um eine Vielzahl nützlicher Produkte zusammenzubauen, einschließlich versiegelter Behälter (wie Tanks und Rohre), Spiegel zum Fokussieren des Sonnenlichts und Wärmestrahler. Die Verwendung von Metallen für elektrische Geräte würde Isolatoren für die Drähte erfordern, sodass ein flexibles Isoliermaterial wie Kunststoff oder Glasfaser benötigt wird.

Ein bemerkenswertes Ergebnis der Weltraumfertigung werden voraussichtlich Sonnenkollektoren sein. Ausgedehnte Solarenergie-Arrays können im Weltraum konstruiert und montiert werden. Da die Struktur die Belastungen, die auf der Erde auftreten würden, nicht tragen muss, können riesige Arrays aus entsprechend geringeren Materialmengen zusammengebaut werden. Die erzeugte Energie kann dann verwendet werden, um Produktionsanlagen, Lebensräume, Raumschiffe, Mondbasen mit Strom zu versorgen und sogar mit Mikrowellen zu Kollektoren auf der Erde gestrahlt werden .

Andere Möglichkeiten für die Weltraumherstellung umfassen Treibstoffe für Raumfahrzeuge, einige Reparaturteile für Raumfahrzeuge und Weltraumhabitate und natürlich größere Fabriken. Letztendlich können Weltraumfertigungsanlagen hypothetisch fast autark werden und nur minimale Importe von der Erde erfordern. Die Mikrogravitationsumgebung ermöglicht neue Möglichkeiten im Bauwesen in großem Maßstab, einschließlich Mega-Engineering . Diese zukünftigen Projekte könnten möglicherweise Weltraumaufzüge , riesige Solarparks, Raumschiffe mit sehr hoher Kapazität und rotierende Lebensräume zusammenbauen, die in der Lage sind, Zehntausende von Menschen unter erdähnlichen Bedingungen zu ernähren.

Herausforderungen

Es wird erwartet, dass die Weltraumumgebung für die Produktion einer Vielzahl von Produkten von Vorteil ist, vorausgesetzt, die Hindernisse dafür können überwunden werden. Der größte Kostenfaktor besteht darin, die Energiehürde zu überwinden, um Materialien in die Umlaufbahn zu bringen. Sobald diese Barriere in den Kosten pro Kilogramm deutlich gesenkt wird , kann der Einstiegspreis für die Raumfahrtfertigung diese für Unternehmer deutlich attraktiver machen. Nachdem die hohen Kapitalisierungskosten für die Montage der Bergbau- und Produktionsanlagen bezahlt sind, muss die Produktion wirtschaftlich rentabel sein, um selbsttragend und für die Gesellschaft von Nutzen zu sein.

Die wirtschaftlichen Anforderungen der Weltraumfertigung implizieren die Notwendigkeit, die erforderlichen Rohstoffe mit minimalen Energiekosten zu sammeln. Die Kosten des Weltraumtransports hängen direkt mit dem Delta-v oder der Änderung der Geschwindigkeit zusammen, die erforderlich ist, um sich von den Abbaustätten zu den Produktionsanlagen zu bewegen. Um Material von Körpern wie erdnahen Asteroiden , Phobos , Deimos oder der Mondoberfläche in die Erdumlaufbahn zu bringen, benötigt man trotz der größeren Entfernungen weit weniger Delta-V als der Start von der Erde selbst. Dies macht diese Orte als Rohstoffquellen wirtschaftlich attraktiv.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

Externe Links