Кіріспе
Ғарыш өндірісі немесе ғарышта өндіріс (қысқаша ISM) – Жер атмосферасының сыртында (немесе жалпы алғанда, планета атмосферасының сыртында) материалдық тауарларды жасау, құрастыру немесе біріктіру процесі. Бұл процесте шикізат немесе қайта өңделген материалдар ғарышта компоненттерге, өнімдерге немесе инфрақұрылымға айналдырылады, өндіріс процесі ғарыш ерекшеліктерін пайдаланып, адамдар немесе автоматтандырылған жүйелер арқылы жүзеге асырылады. Ғарыш / ғарышта өндірістің синонимдері: орбиталық өндіріс (өндірістік мүмкіндіктердің көп бөлігі Жердің төменгі орбитасымен шектелгендіктен), Жерден тыс өндіріс, ғарышқа негізделген өндіріс, орбиталық өндіріс, жергілікті өндіріс, ғарышта жасау, ғарышта өндіріс және т.б. Ғарыш өндірісі ұшыру параметрлеріне байланысты ғарыш кемелерінің конструкциялық шектеулерін (масса, діріл, құрылымдық жүктеме және т.б.) және жүк көлемімен шектелген көлемдік шектеулерді жояды. Ол ұшырылған материалдарды қайта өңдеуге, ғарыштан алынған ресурстарды пайдалануға және қажет болғанда қосалқы бөлшектерді өндіруге мүмкіндік береді, бұл маңызды бөліктерді (сенімділікті және резервті арттыру) орнында жөндеуге және инфрақұрылымды дамытуға көмектеседі. Ол микрогравитация, жоғары вакуум және контейнерсіз өңдеу сияқты, Жерде жүзеге асыру қиын ғарыш ерекшеліктерін пайдаланады. Колумбус зертханасындағы Материалтану зертханасының электромагниттік левитаторы (MSL EML) – әртүрлі материалдардың балқу және қату қасиеттерін зерттеуге арналған ғылыми құрал. Сұйықтықтар ғылымы зертханасы (FSL) микрогравитациядағы сұйықтықтардың мінез-құлқын зерттеу үшін қолданылады.
Space manufacturing or In space manufacturing (ISM in short) is the fabrication, assembly or integration of tangible goods beyond Earth's atmosphere (or more generally, outside a planetary atmosphere), involving the transformation of raw or recycled materials into components, products, or infrastructure in space, where the manufacturing process is executed either by humans or automated systems by taking advantage of the unique characteristics of space. Synonyms of Space/In space manufacturing are In orbit manufacturing (since most production capabilities are limited to low Earth orbit), Off Earth manufacturing, Space based manufacturing, Orbital manufacturing, In situ manufacturing, In space fabrication, In space production, etc. In space manufacturing removes spacecraft design limitations due to launch parameters (mass, vibration, structural load, etc.) and volume limitations imposed by payload size. It allows for recycling of launched materials, utilization space mined resources and on demand spare parts production, which enables on site repair of critical parts (increasing reliability and redundancy) and infrastructure development. It takes advantage of unique space features such as microgravity, ultra vacuum and containerless processing, which are difficult to do on Earth. The Material Science Laboratory Electromagnetic Levitator (MSL EML) on board the Columbus Laboratory is a science facility that can be used to study the melting and solidification properties of various materials. The Fluid Science Laboratory (FSL) is used to study the behavior of liquids in microgravity.
Ғарыш ортасындағы материал қасиеттері
Ғарыш кеңістігіндегі материалдардың қасиеттері Жердегі материалдардың қасиеттерімен салыстырғанда бірнеше ерекше айырмашылықтар бар. Бұл айырмашылықтарды бірегей немесе жақсартылған өндіріс техникаларын жасау үшін пайдалануға болады. Микрогравитациялық ортада сұйықтар мен газдардағы конвекцияны басқаруға және шөгінділердің пайда болуын болдырмауға болады. Диффузия материалдарды араластырудың басты құралы болып табылады, бұл әдетте араласпайтын материалдардың бірігуіне мүмкіндік береді. Бұл ортада ерітіндіде ірі, жоғары сапалы кристалдардың өсуіне жағдай жасалады. Ғарыш кеңістігінің өте таза вакуумы өте таза материалдар мен заттар жасауға мүмкіндік береді. Булы жабыну әдісін қолдану арқылы материалдарды қабат-қабат құруға, ақауларсыз өндіруге болады. Микрогравитациядағы беттік кернеу сұйықтардың мүмікін ең дөңгелек пішіндес сфераларға айналуына себеп болады. Бұл сұйықтықты арна арқылы сору кезінде қиындықтар тудыруы мүмкін, бірақ бірқатар қолданулар үшін қажетті біркелкі өлшемдегі мүмікін ең толық сфералар жасау үшін өте пайдалы. Ғарыш ыстық пен суықтың қолжетімді шегін ұсынады. Күн сәулесін шоғырландыру арқылы материалдарды балқытуға жеткілікті жылу алуға болады, ал тұрақты көлеңкеде сақталатын заттар абсолюттік нөлге жуық температураға ұшырайды. Температура градиентін пайдаланып, берік, шыны тәрізді материалдар жасауға болады.
Материалды өңдеу
Өндірістің көп бөлігі үшін нақты материалдық талаптар орындалуы керек. Металдарды алу үшін минералдық кендерді тазарту қажет, ал тұрақсыз органикалық қосылыстарды тазарту қажет. Бұл шикізатты өңдеу орнына экономикалық тұрғыдан тиімді жеткізу қажет, онда жеткізілу уақыты, итеру энергиясының жұмсалуы және өндіру құны жоспарлау процесіне ескерілуі керек. Минералдарды астероидтардан, Ай бетінен немесе планеталық денеден алуға болады. Тұрақсыз заттарды кометадан, көміртекті хондриттен немесе "C типіндегі" астероидтардан, Марстың немесе басқа планеталардың серіктерінен алуға болады. Айдың полюстеріндегі суық тұзақтардан су мұзы немесе гидратталған минералдар түрінде сутегі алу да мүмкін. Егер материалды өңдеу және өндіру орындары ресурстарды өндірумен бірге орналаспаса, шикізатты Күн жүйесінде тасымалдау қажет болады. Бұл материалды итеру үшін бірнеше ұсынылған тәсілдер бар, соның ішінде күн желкендері, электр желкендері, магниттік желкендер, электрлі иондық қозғалтқыштар, микротолқынды электротермиялық қозғалтқыштар немесе массалық жетектегілер (соңғы әдіс өткізгіш материалды үдету үшін тізбектелген электромагниттерді пайдаланады). Материалды өңдеу орнында кіріс материалдарды ұстап алудың қажеттілігі бар. Жүкке бекітілген маневрлік ракеталар оны сәйкес орбитаға қоя алады. Басқаша айтқанда, егер жүк мақсатқа қатысты төмен дельта v жылдамдығымен қозғалса, оны масса ұстағышымен ұстауға болады. Бұл үлкен, икемді тор немесе массаның импульсын үлкен құрылымға беруге арналған қабынушы құрылымнан тұруы мүмкін. Орналасқаннан кейін материалдарды механикалық тәсілдермен немесе кішкентай қозғалтқыштар арқылы жылжытуға болады. Материалдарды шикі түрінде немесе құрамдас элементтерін алу үшін өңдеу арқылы өндіруге пайдалануға болады. Өңдеу әдістері әртүрлі химиялық, жылулық, электролиттік және магниттік бөлу әдістерін қамтиды. Жақын арада Ай мен астероидтардан алюминий, темір, оттегі және кремнийді алу үшін салыстырмалы түрде қарапайым әдістерді қолдануға болады. Аз концентрацияланған элементтерге, ғарыш өндірісінің инфрақұрылымы толық дамығанша күтуді қажет ететін, жетілдірілген өңдеу орналымдары қажет болуы мүмкін. Кейбір химиялық процестер су және қышқыл қоспаларын өндіру үшін сутегінің көзін қажет етеді. Сутек газы Айдың реголитінен оттегі алу үшін де қолданылуы мүмкін, бірақ бұл процесс өте тиімді емес. Сондықтан, пайдалы тұрақсыз заттардың қолжетімді көзі ғарыш өндірісін дамытуға оң әсер етеді. Балама ретінде, оттегіні Айдың реголитінен импортталған материалдарды қайта пайдаланбастан, вакуумде қыздыру арқылы босатуға болады. Бұл Жерде вакуум камерасында Ай симуляторымен сынақтан өткізілді. Үлгінің 20%-ы бос оттегі ретінде шығарылды. Эрик Кардифф қалғанын шлак деп атайды. Бұл процесс импортталған материалдарды партияға жұмсағанда өте тиімді, бірақ оттегінің бір килограмына жұмсалған энергия тұрғысынан ең тиімді процесс емес. Астероид материалдарын тазартудың бір әдісі көміртек монооксидін (CO) пайдалану болып табылады. Материалды қыздыру және оны CO-ға ұсыну металдардың газ тәрізді карбонилдерін қалыптастыруға әкеледі. Бұл буды металл компоненттерін бөлу үшін дистилдеуге болады, содан кейін CO-ны тағы бір қыздыру циклімен қалпына келтіруге болады. Осылайша, автоматтандырылған кеме салыстырмалы түрде жақын орналасқан 4660 Нереустен (дельта v шарттары бойынша) жер бетіндегі бос материалдарды сыпырып алып, кенді күн жылуы мен CO арқылы өңдеп, ақырында таза металлмен қайта оралады. Бұл процестің экономикасы материалды Жерден ұшыру құнының жиырмадан бір бөлігіне алуға мүмкіндік береді, бірақ кез келген кенді қайтару үшін екі жылдық сапар қажет болады.
from, say, the relatively nearby 4660 Nereus (in delta v terms), process the ore using solar heating and CO, and eventually return with a load of almost pure metal. The economics of this process can potentially allow the material to be extracted at one twentieth the cost of launching from Earth, but it would require a two year round trip to return any mined ore.
Өңдеу
Жарық жылдамдығының байланыс шектеулеріне байланысты, алыс ресурстарды өндіру орнында ғарышта өндіріс жүргізу үшін толыққанды автономды роботтар немесе барлық тіршілік ету ортасы мен қауіпсіздік талаптарымен жабдықталған адам экипажы қажет болады. Алайда, егер өндіріс Жер орбитасында немесе адамдар бар ғарыш мекеніне жақын орналасса, адам ақылы мен икемділігін қажет ететін белгілі бір тапсырмалар үшін телероботты құрылғыларды пайдалануға болады. Күн энергиясы жылу өңдеу үшін оңай қолжетімді қуат көзі болып табылады. Тек жылудың өзімен де, қарапайым термиялық қорытылған материалдарды тұрақты құрылымдарды салу үшін қолдануға болады. Ай немесе астероидтерден алынған жаппай топырақтың суы аз, ал оны балқытып шыны тәрізді материалға айналдырғанда өте берік болады. Бұл қарапайым шыны тәрізді қатты денелерді Ай бетінде немесе басқа жерде мекендер құру үшін пайдалануға болады. Өндіріс аймағында күн энергиясын бағыттамалы айналар тізбегі арқылы шоғырландыруға болады. Металдардың қолжетімділігі мен қабілетті физикалық қасиеттері оларды ғарышта өндірістің маңызды бөлігіне айналдырады. Жерде қолданылатын металл өңдеудің көптеген әдістерін ғарышта да пайдалануға болады. Бірақ, кейбір әдістерге микрогравитациялық ортаға байланысты маңызды өзгерістер енгізу қажет. Ғарышта қатайтылған болат өндірісі жаңа факторларды енгізеді. Көміртек Ай бетіндегі материалдарда аз мөлшерде кездеседі, сондықтан оны басқа жерден жеткізу қажет. Жерден адамдар әкелген қалдықтар немесе кометалар осыған мүмкіндік береді. Болатты суыту үшін әдетте қолданылатын су да жеткіліксіз болады, сондықтан күшті араластыру қажет. Микрогравитацияда болат құю қиын болуы мүмкін, сондықтан арнайы қыздыру және инъекциялау процестері немесе спиральді пішімдеу қажет. Жылуды күн сәулесімен электр жылытқыштарды біріктіріп жасауға болады. Болат суынып, жирылғанда қуыстардың пайда болуын болдырмау үшін құю процесін басқару қажет. Металлдан қажетті пішін жасау үшін әртүрлі металл өңдеу әдістерін қолдануға болады. Стандартты әдістерге құю, сызу, соғу, өңдеу, доңғалақтау және дәнекерлеу жатады. Доңғалақтау мен сызу металды қыздыруды және одан кейін салқындатуды қажет етеді. Соғу мен экструзия үшін ауырлық күші болмағандықтан қуатты престер қажет болуы мүмкін. Электрондық сәулелі дәнекерлеу Skylab-та көрсетілген және ғарышта таңдаулы әдіс болуы мүмкін. Өңдеу операцияларына Жерден белгілі бір уақытқа импортталуы қажет болатын дәл құралдар қажет. Жаңа ғарыш өндіріс технологиялары Маршаллдың Ұлттық озық өндіріс орталығы сияқты орындарда зерттелуде. Зерттеліп жатқан әдістерге жылу мен кинетикалық энергияның үйлесімін пайдалана отырып, ғарыштағы беттерге жабылатын жабындар және электрондық сәулесіз бөлшектер жасау кіреді. Осы тәсілдер, сондай-ақ орбиталық зертханада зерттеуге болатын материалдардың қасиеттерін зерттеу NASA және Made In Space, Inc. компанияларымен Халықаралық ғарыш станциясында жүргізіледі.
Ғарышта 3D-басып шығару
Ғарышта 3D-да басып шығару мүмкіндігі Жердегі өндіріске қарағанда көптеген артықшылықтар ұсынады. 3D-баспа технологиясының арқасында ғарышкерлер Жерден ғарышқа құрал-жабдықтарды тасымалдаудың орнына, қажетті заттарды тікелей өндіре алады. Сұраныс бойынша өндіріс үлгілері ұзақ қашықтықтағы ғарыш сапарларын жүзеге асыруды және ғарыш экспедициялары үшін аз жүк қажеттілігі арқасында өзін-өзі қамтамасыз етуді жеңілдетеді. Миссия қауіпсіздігі де артады. 2014 жылы Халықаралық ғарыш станциясына (ISS) жіберілген Made In Space, Inc. 3D принтерлері, нөлдік немесе микрогравитациялық ортада жұмыс істеу үшін арнайы жасалған. Бұл жобаға Шағын Бизнес Инновациялық және Зерттеу Келісімшартының III кезеңі тағайындалды. NASA қосымша өндіріс орталығын жөндеу жұмыстарын (төтенше жағдайларда да), жаңартулар мен орнатуды жүргізу үшін пайдаланады. Made In Space 3D-басып шығарудың оңай бейімделуі, минималды шикізат қалдықтары, бөлшектерді оңтайландыру, өндіріс уақытын үдету, интеграцияланған электроника, адамның минималды араласуы және басып шығару процесін өзгерту мүмкіндігі сияқты артықшылықтарын тізімдейді. 2018 жылдың 19 қарашасында Cygnus NG 10 арқылы ISS-ке жеткізілген Refabricator эксперименті, пластик шикізатты бірнеше басып шығару және қайта өңдеу циклдері арқылы өңдейді, пластик материалдардың полимерлері нашарлап, қабылдауға келмейтін деңгейге жеткенше қанша рет қайта қолданылатынын бағалау үшін. Сонымен қатар, ғарышта 3D-басып шығару тамақ өнімдерін басып шығару мүмкіндігін де қарастырады. NASA-ның Дамыған Тамақ Технологиялары бағдарламасы тамақ сапасын, қоректік құндылығын және әртүрлілігін арттыру мақсатында тамақ өнімдерін басып шығару мүмкіндігін зерттеп жатыр. Airbus, 2022 жылдан бастап бір жыл ішінде металдарды 3D-басып шығаратын алғашқы принтерді ISS-ке жіберу және сынау үшін Еуропалық Ғарыш Агенттігімен бірлесіп жұмыс істеп, 2022 жылдан бастап үш-төрт жыл ішінде ғарышта өндіріс құруды жоспарлап отыр.
Қиындықтар
Ғарыш ортасы, егер оған тосқауылдарды еңсеруге мүмкіндік болса, түрлі өнімдерді өндіру үшін тиімді болуы мүмкін. Ең басты шығын – материалдарды орбитаға жеткізу үшін энергияны жеңу. Егер бұл тосқауылдың бір килограммға шаққандағы құны айтарлықтай төмендесе, ғарыш өндірісіне қадам жасау кәсіпкерлер үшін әлдеқайда тартымдырақ болады. Кен өндіру және өндіріс нысандарын құрастыруға жұмсалатын капиталдық шығындар өтелгеннен кейін, өндіріс өзін-өзі қамтамасыз ету үшін және қоғамға пайда келтіру үшін экономикалық тұрғыдан тиімді болуы керек. Ғарыш өндірісінің экономикалық талаптары, қажетті шикізатты ең аз энергия шығынымен жинау қажеттігін білдіреді. Ғарыш көлігінің құны тікелей дельта v-ге, яғни кен орындарынан өндіріс орындарына өту үшін қажетті жылдамдық өзгеруіне байланысты. Жерге жақын астероидтар, Фобос, Деймос немесе Ай бетінен Жер орбитасына материал жеткізу, қашықтықтар ұзақ болғанына қарамастан, Жерден ұшыруға қарағанда әлдеқайда аз дельта v талап етеді. Бұл осы аймақтарды шикізат көзі ретінде экономикалық тұрғыдан тартымды етеді.