Производство в космосе: возможности и перспективы

Введение

Производство изготовленных товаров в среде вне планетарной атмосферы

Космическое производство, или производство в космосе (сокращенно ISM) – это изготовление, сборка или интеграция материальных объектов за пределами атмосферы Земли (или, в более общем смысле, вне планетарной атмосферы), включающее преобразование сырья или переработанных материалов в компоненты, продукты или инфраструктуру непосредственно в космосе, где производственный процесс выполняется либо людьми, либо автоматизированными системами с использованием уникальных характеристик космической среды. Синонимы производства в космосе включают: производство на орбите (поскольку большинство производственных возможностей ограничено низкой околоземной орбитой), внеземное производство, космическое производство, орбитальное производство, производство in situ, космическое изготовление, космическое производство и т.д. Производство в космосе снимает ограничения, накладываемые на конструкцию космических аппаратов параметрами запуска (масса, вибрация, структурная нагрузка и т.п.) и ограничениями по объему, обусловленными размером полезной нагрузки. Оно позволяет осуществлять переработку запущенных материалов, использовать ресурсы, добытые в космосе, и производить запасные части по требованию, что обеспечивает возможность ремонта критически важных компонентов непосредственно на месте (повышая надежность и резервирование) и развитие инфраструктуры. Оно использует уникальные особенности космической среды, такие как микрогравитация, ультравакуум и бескамерная обработка, которые сложно реализовать на Земле. Электромагнитный левитатор Материаловедческой лаборатории (MSL EML), установленный на борту лаборатории «Колумб», является научным оборудованием, которое можно использовать для изучения свойств плавления и затвердевания различных материалов. Лаборатория изучения жидкостей (FSL) используется для исследования поведения жидкостей в условиях микрогравитации.

Свойства материалов в космической среде

Существует несколько уникальных различий в свойствах материалов в космосе по сравнению с теми же материалами на Земле. Эти различия можно использовать для создания уникальных или усовершенствованных технологий производства. Микрогравитационная среда обеспечивает контроль конвекции в жидкостях и газах, а также исключает седиментацию. Диффузия становится основным способом перемешивания материалов, позволяя смешивать вещества, которые в обычных условиях не смешиваются. Эта среда способствует выращиванию более крупных и качественных кристаллов в растворе. Ультрачистый вакуум космоса позволяет создавать очень чистые материалы и объекты. Метод вакуумного напыления можно использовать для послойного создания материалов, свободных от дефектов. Поверхностное натяжение заставляет жидкости в микрогравитации формировать идеально круглые сферы. Это может создавать трудности при перекачке жидкостей по трубопроводам, но оказывается очень полезным, когда для конкретного применения требуются идеально круглые сферы стабильного размера. Космос предоставляет легкий доступ к экстремальным температурам – как к жаре, так и к холоду. Солнечный свет можно сфокусировать для концентрации тепла, достаточного для плавления материалов, а 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 применений необходимо соблюдать определенные требования к материалам. Минеральные руды необходимо обогащать для извлечения конкретных металлов, а летучие органические соединения – очищать. В идеале, эти сырьевые материалы должны доставляться на перерабатывающий объект экономичным способом, при котором учитываются время доставки, энергозатраты на перемещение и затраты на добычу в процессе планирования. Минералы можно добывать из астероидов, с поверхности Луны или планетарного тела. Летучие вещества потенциально можно получить из комет, углеродистых хондритов или астероидов "Типа C", спутников Марса или других планет. Также может оказаться возможным извлекать водород в форме водяного льда или гидратированных минералов из холодных ловушек на полюсах Луны. Если переработка материалов и производственные площадки не расположены рядом с местами добычи ресурсов, сырье необходимо будет транспортировать по Солнечной системе. Существует несколько предлагаемых способов обеспечения движения этого материала, включая солнечные паруса, электростатические паруса, магнитные паруса, электрические ионные двигатели, микроволновые электротермические двигатели или электромагнитные ускорители (последний метод использует последовательность электромагнитов, расположенных в линию, для ускорения проводящего материала). На перерабатывающем предприятии входящие материалы должны быть захвачены каким-либо образом. Маневровые двигатели, прикрепленные к грузу, могут вывести его на соответствующую орбиту. В качестве альтернативы, если груз движется с небольшой разницей скоростей (delta v) относительно пункта назначения, его можно захватить с помощью массоуловителя. Он может состоять из большой гибкой сети или надувной конструкции, которая передаст импульс массы на более крупное сооружение. После установки материалы можно перемещать механическим способом или с помощью небольших двигателей. Материалы можно использовать для производства как в сыром виде, так и после переработки для извлечения составляющих элементов. Методы переработки включают различные химические, термические, электролитические и магнитные методы разделения. В ближайшей перспективе относительно простыми методами можно извлекать алюминий, железо, кислород и кремний из лунных и астероидных источников. Для извлечения менее концентрированных элементов, вероятно, потребуются более совершенные перерабатывающие мощности, которые, возможно, придется ждать, пока полностью не будет развита космическая производственная инфраструктура. Некоторые химические процессы потребуют источника водорода для производства водных и кислотных смесей. Водородный газ также можно использовать для извлечения кислорода из лунного реголита, хотя этот процесс не очень эффективен. Поэтому легкодоступный источник полезных летучих веществ является положительным фактором в развитии космического производства. Кроме того, кислород можно извлекать из лунного реголита без повторного использования импортных материалов, нагревая реголит в вакууме. Это было протестировано на Земле с использованием лунного имитатора в вакуумной камере. До 20% образца было выделено в виде свободного кислорода. Эрик Кардифф называет остаток шлаком. Этот процесс очень эффективен с точки зрения расхода импортируемых материалов на партию, но не является самым энергоэффективным на килограмм кислорода. Один из предлагаемых методов очистки астероидных материалов – использование монооксида углерода (CO). Нагрев материала и воздействие на него CO приводит к образованию газообразных карбонилов металлов. Этот пар затем можно дистиллировать для разделения металлических компонентов, а CO можно восстановить в другом цикле нагрева. Таким образом, автоматизированный корабль может собирать рыхлые поверхностные материалы, например, с относительно близкого астероида 4660 Нереус (с точки зрения delta v), перерабатывать руду с помощью солнечного нагрева и CO и в конечном итоге вернуться с грузом почти чистого металла. Экономика этого процесса потенциально может позволить извлекать материал по цене в двадцать раз ниже, чем при запуске с Земли, но для возвращения добытой руды потребуется двухлетний полет.

For most manufacturing applications, specific material requirements must be satisfied. Mineral ores need to be refined to extract specific metals, and volatile organic compounds will need to be purified. Ideally these raw materials are delivered to the processing site in an economical manner, where time to arrival, propulsion energy expenditure, and extraction costs are factored into the planning process. Minerals can be obtained from asteroids, the lunar surface, or a planetary body. Volatiles could potentially be obtained from a comet, carbonaceous chondrite or "C Type" asteroids, or the moons of Mars or other planets. It may also prove possible to extract hydrogen in the form of water ice or hydrated minerals from cold traps on the poles of the Moon. Unless the materials processing and the manufacturing sites are co located with the resource extraction facilities, the raw materials would need to be moved about the Solar System. There are several proposed means of providing propulsion for this material, including solar sails, electric sails, magnetic sails, electric ion thrusters, microwave electrothermal thrusters, or mass drivers (this last method uses a sequence of electromagnets mounted in a line to accelerate a conducting material). At the materials processing facility, the incoming materials will need to be captured by some means. Maneuvering rockets attached to the load can park the content in a matching orbit. Alternatively, if the load is moving at a low delta v relative to the destination, then it can be captured by means of a mass catcher. This could consist of a large, flexible net or inflatable structure that would transfer the momentum of the mass to the larger facility. Once in place, the materials can be moved into place by mechanical means or by means of small thrusters. Materials can be used for manufacturing either in their raw form, or by processing them to extract the constituent elements. Processing techniques include various chemical, thermal, electrolytic, and magnetic methods for separation. In the near term, relatively straightforward methods can be used to extract aluminum, iron, oxygen, and silicon from lunar and asteroidal sources. Less concentrated elements will likely require more advanced processing facilities, which may have to wait until a space manufacturing infrastructure is fully developed. Some of the chemical processes will require a source of hydrogen for the production of water and acid mixtures. Hydrogen gas can also be used to extract oxygen from the lunar regolith, although the process is not very efficient. So a readily available source of useful volatiles is a positive factor in the development of space manufacturing. Alternatively, oxygen can be liberated from the lunar regolith without reusing any imported materials by heating the regolith to in a vacuum. This was tested on Earth with lunar simulant in a vacuum chamber. As much as 20% of the sample was released as free oxygen. Eric Cardiff calls the remainder slag. This process is highly efficient in terms of imported materials used up per batch, but is not the most efficient process in energy per kilogram of oxygen. One proposed method of purifying asteroid materials is through the use of carbon monoxide (CO). Heating the material to and exposing it to CO causes the metals to form gaseous carbonyls. This vapor can then be distilled to separate out the metal components, and the CO can then be recovered by another heating cycle. Thus an automated ship can scrape up loose surface materials
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.

Производство

Из-за ограничений скорости света в системах связи, организация производства в космосе в удаленной точке добычи ресурсов потребует либо полностью автономных роботов для выполнения работ, либо присутствия человеческой команды со всеми необходимыми условиями для жизнеобеспечения и обеспечения безопасности. Однако, если производственная установка будет построена на орбите Земли или вблизи обитаемой космической станции, для выполнения определенных задач, требующих человеческого интеллекта и гибкости, можно будет использовать телероботизированные устройства. Солнечная энергия предоставляет легкодоступный источник энергии для термической обработки. Даже используя только тепло, простые материалы, соединенные термическим сплавлением, можно использовать для возведения базовых конструкций, обладающих устойчивостью. Почва Луны или астероидов содержит очень мало воды, а при расплавлении образует стекловидные материалы, отличающиеся высокой прочностью. Эти простые стекловидные твердые тела могут быть использованы для строительства жилых модулей на поверхности Луны или в других местах. Солнечная энергия может быть сконцентрирована в производственной зоне с помощью массива управляемых зеркал. Доступность и благоприятные физические свойства металлов сделают их основным компонентом космического производства. Большинство технологий обработки металлов, применяемых на Земле, также могут быть адаптированы для использования в космосе. Некоторые из этих технологий потребуют существенной модификации из-за условий микрогравитации. Производство высокопрочной стали в космосе внесет новые факторы. Углерод содержится в лунных поверхностных материалах лишь в небольших количествах и потребует доставки из других источников. Возможным источником могут служить отходы, вывезенные с Земли людьми, а также кометы. Вода, обычно используемая для отпуска стали, также будет в дефиците и потребует интенсивного перемешивания. Литье стали может быть сложным процессом в условиях микрогравитации, требующим специальных методов нагрева и заливки, или спин-формовки. Нагрев можно осуществлять с помощью солнечного света в сочетании с электрическими нагревателями. Процесс литья также необходимо контролировать, чтобы избежать образования пустот при охлаждении и усадке стали. Для придания металлу необходимой формы могут использоваться различные методы металлообработки, такие как литье, волочение, ковка, механическая обработка, прокатка и сварка. Прокатка и волочение металлов требуют нагрева с последующим охлаждением. Ковка и экструзия могут потребовать использования силовых прессов, поскольку гравитация отсутствует. Электронно-лучевая сварка уже была продемонстрирована на борту станции "Skylab" и, вероятно, станет предпочтительным методом сварки в космосе. Для механической обработки могут потребоваться прецизионные инструменты, которые в течение определенного времени придется импортировать с Земли. Новые технологии космического производства изучаются в таких центрах, как Национальный центр передовых производственных технологий имени Маршалла. Исследуемые методы включают нанесение покрытий методом распыления на поверхности в космосе с использованием комбинации тепла и кинетической энергии, а также создание деталей методом свободной формовки с использованием электронного луча. Эти подходы, а также изучение свойств материалов, которые можно исследовать в орбитальной лаборатории, будут изучаться на Международной космической станции NASA и компанией Made In Space, Inc.

Due to speed of light constraints on communication, manufacturing in space at a distant point of resource acquisition will either require completely autonomous robotics to perform the labor, or a human crew with all the accompanying habitat and safety requirements. If the plant is built in orbit around the Earth, or near a crewed space habitat, however, telerobotic devices can be used for certain tasks that require human intelligence and flexibility. Solar power provides a readily available power source for thermal processing. Even with heat alone, simple thermally fused materials can be used for basic construction of stable structures. Bulk soil from the Moon or asteroids has a very low water content, and when melted to form glassy materials is very durable. These simple, glassy solids can be used for the assembly of habitats on the surface of the Moon or elsewhere. The solar energy can be concentrated in the manufacturing area using an array of steerable mirrors. The availability and favorable physical properties of metals will make them a major component of space manufacturing. Most of the metal handling techniques used on Earth can also be adopted for space manufacturing. A few of these techniques will need significant modifications due to the microgravity environment. The production of hardened steel in space will introduce some new factors. Carbon only appears in small proportions in lunar surface materials and will need to be delivered from elsewhere. Waste materials carried by humans from the Earth is one possible source, as are comets. The water normally used to quench steel will also be in short supply, and require strong agitation. Casting steel can be a difficult process in microgravity, requiring special heating and injection processes, or spin forming. Heating can be performed using sunlight combined with electrical heaters. The casting process would also need to be managed to avoid the formation of voids as the steel cools and shrinks. Various metal working techniques can be used to shape the metal into the desired form. The standard methods are casting, drawing, forging, machining, rolling, and welding. Both rolling and drawing metals require heating and subsequent cooling. Forging and extrusion can require powered presses, as gravity is not available. Electron beam welding has already been demonstrated on board the Skylab, and will probably be the method of choice in space. Machining operations can require precision tools which will need to be imported from the Earth for some duration. New space manufacturing technologies are being studied at places such as Marshall's National Center for Advanced Manufacturing. The methods being investigated include coatings that can be sprayed on surfaces in space using a combination of heat and kinetic energy, and electron beam free form fabrication of parts. Approaches such as these, as well as examination of material properties that can be investigated in an orbiting laboratory, will be studied on the International Space Station by NASA and Made In Space, Inc.

3D-печать в космосе

Возможность 3D-печати в космосе имеет множество преимуществ по сравнению с производством на Земле. Благодаря технологиям 3D-печати, астронавты могут изготавливать необходимые предметы непосредственно в космосе, вместо экспорта инструментов и оборудования с Земли. Производство по запросу делает длительные космические путешествия более осуществимыми и самодостаточными, поскольку для космических экспедиций требуется меньше груза. Также повышается безопасность миссий. 3D-принтеры Made In Space, Inc., запущенные на Международную космическую станцию в 2014 году, разработаны специально для условий невесомости или микрогравитации. Этот проект был удостоен контракта на инновации и исследования для малого бизнеса III фазы. Объект аддитивного производства будет использоваться НАСА для проведения ремонта (в том числе в аварийных ситуациях), модернизации и установки оборудования. Made In Space выделяет следующие преимущества 3D-печати: легкая кастомизация, минимальное количество отходов сырья, оптимизированные детали, ускоренное производство, интегрированная электроника, ограниченное участие человека и возможность модификации процесса печати. Эксперимент Refabricator, доставленный на МКС на борту Cygnus NG 10 19 ноября 2018 года, перерабатывает пластиковое сырье через несколько циклов печати и рециклинга, чтобы оценить, сколько раз пластиковые материалы можно повторно использовать в условиях микрогравитации до того, как их полимеры деградируют до недопустимого уровня. Кроме того, 3D-печать в космосе может применяться и для печати продуктов питания. Программа передовых пищевых технологий НАСА в настоящее время изучает возможность печати еды для улучшения ее качества, питательной ценности и разнообразия. Airbus разрабатывает и планирует совместно с Европейским космическим агентством отправить и протестировать первый 3D-принтер для печати металлами в космосе на МКС в течение 2022 года и создать космическое производство в течение трех-четырех лет после 2022 года.

Вызовы

Ожидается, что космическая среда будет благоприятна для производства широкого спектра продукции, при условии преодоления существующих препятствий. Наибольшая статья расходов – это преодоление энергетических затрат на вывод материалов на орбиту. Как только стоимость этого снизится до значимой величины за килограмм, стоимость входа в космическое производство может сделать его гораздо более привлекательным для предпринимателей. После крупных капиталовложений в создание горнодобывающих и производственных мощностей, производство должно быть экономически рентабельным, чтобы стать самоокупаемым и приносить пользу обществу. Экономические требования космического производства подразумевают необходимость добычи необходимого сырья с минимальными энергетическими затратами. Стоимость космической транспортировки напрямую связана с величиной дельта-v, или изменением скорости, необходимой для перемещения от мест добычи к производственным предприятиям. Доставка материалов на околоземную орбиту с таких объектов, как околоземные астероиды, Фобос, Деймос или лунная поверхность, требует значительно меньшей дельта-v, чем запуск с Земли, несмотря на большие расстояния. Это делает эти объекты экономически привлекательными источниками сырья.