宇宙金属3Dプリンティング技術を軌道上で実証・検証完了

ペイロードは地上の指示に従って自律的に起動し、レーザーヒューズ方式を使用して溶融金属の堆積を実現します。プロセスは安定してスムーズであり、遠隔始動と停止の信頼性は何度も検証されています。この説明は、中国科学院力学研究所が最近発表した大きな技術的進歩に基づいています。

最近、中国科学院力学研究所は、同研究所と中国科学院超小型衛星イノベーション研究所が協力し、カヌー試験宇宙船の助けを借りて宇宙金属積層造形技術の実証と検証に成功したとの通知を受けた。ライトボート試験宇宙船は、中国航天の麗建2号姚宜ロケットで打ち上げられた。この探査機は、軌道600キロメートル上で宇宙金属3Dプリンティング技術のデモンストレーションと検証を実施し、予定されていた実験タスクを無事に完了した。この動きは、我が国が初めて、主要な宇宙金属積層造形技術の体系的な軌道検証を実施する能力を獲得したことを示しています。

それでは、スペースメタル 3D プリンティングとは何なのか、なぜそれほど重要なのか、どのように実現されるのか、そしてそれが私たちの生活の発展にどのような影響を与えるのかを見てみましょう。

一般的な観点から見ると、いわゆるスペース メタル積層造形は、実際にはスペース メタル 3D プリンティングです。私たちの日常生活の中で一般的な 3D プリントのほとんどは、プラスチックやその他の素材を使用して層ごとに積み重ねて 3 次元オブジェクトを作成します。しかし、金属3Dプリントでは、金属を原材料として使用し、高温で金属を溶かし、設計された形状に従って層ごとに「積み重ね」て形成します。今回、中国の科学研究チームは「レーザー溶断法」を採用した。簡単に言うと、高エネルギーレーザーを「熱源」として使用し、指定された場所の金属ワイヤーを溶かします。溶けた金属は、プログラムされた経路に従って層ごとに堆積されます。冷却して固化すると、完全な金属部品になります。

宇宙金属の 3D プリントが真空中での「ライト ペン」を使った描画とみなされる場合、この「ライト ペン」は溶融金属のあらゆる微妙な動きを正確に制御する必要があります。なぜなら、「宇宙の微小重力環境では、『宇宙で水を保持するためにスプーンを使用する』のと同じように、金属の溶融池と液滴の形成を制御することは非常に困難であり、注意しないと『こぼれてしまう』からです。」

従来の宇宙ミッションでは、すべての資材と予備部品を地上で準備して完成させ、宇宙船に積み込んで宇宙に持ち出す必要があります。これは「持ってきたものを使う」という伝統的なモデルです。

ただし、このアプローチには明らかな制限があります。運用中の宇宙ステーションでは、ある部品が故障すると、予備部品を積んでいなければ、次の貨物宇宙船が地上から輸送されるまで待たなければなりません。これは非常にコストがかかるだけでなく、緊急時には取り返しのつかない損失につながる可能性があります。将来の月や火星への深宇宙探査ミッションでは、地球からの補給にかかる時間と物流コストは天文学的なものになるでしょう。

スペースメタル3Dプリンティング技術の中核として、こうした消極的な依存の状況を打破します。 2014 年、NASA は最初のポリマー 3D プリンターを国際宇宙ステーションに設置し、軌道上での 3D プリンティングの実現可能性を初めて証明しました。それ以来、宇宙船における金属部品の需要がプラスチックよりもはるかに大きいため、科学者たちはこの機能をプラスチックから金属に拡張するために懸命に取り組んできました。欧州宇宙機関も2024年1月に国際宇宙ステーションに向けて初の金属3Dプリンターを打ち上げ、宇宙で初めて金属部品の製造に成功した。これが事実です。

現在、国家科学研究チームはカヌー試験宇宙船での検証に成功しており、我が国がこの技術を徐々に習得していることを示している。同関係者は、「将来的には、この種の技術は、宇宙ミッションにおける『持ち込んだものを使用する』という従来のモデルを助け、変え、『必要なものを作る』ことを段階的に達成し、軌道上での製造とメンテナンス、宇宙施設のスペアパーツの製造、構造部品の修理、深宇宙ミッションの独立支援などに役立つことになるだろう」と述べた。

宇宙で金属 3D プリンティングの目標を達成することは、単に地上のプリンターを宇宙船に移動するほど簡単ではありません。科学原理の観点からは、地上での製造とは異なります。宇宙金属積層造形では、微小重力環境における金属液滴の遷移、液橋の安定性、溶融池の進化などの特殊なメカニズムの問題に対処する必要があるだけでなく、負荷の軽量化、打ち上げ時の振動耐性、エネルギーインターフェースの適応、遠隔測定、遠隔制御と自律運用、軌道上での安全な運用などの一連の工学的課題も解決する必要があります。これは、国際的な航空宇宙製造分野が獲得しようと熾烈な競争を繰り広げているフロンティアの高地です。

地面で水を沸騰させると、熱水は上に波紋が広がり、冷水は沈みます。これは重力によって引き起こされる対流現象です。しかし、宇宙の微小重力環境下では、この自然対流はほとんどなくなり、溶湯の流れは表面張力など他の力に完全に支配されてしまいます。これは制御に大きな困難をもたらすだけでなく、重力によって引き起こされる熱対流や溶融池の変形なしに、より高い精度とより優れた材料特性を備えた部品を製造できるという、またとない機会も提供します。

エンジニアリング業務の観点から見ると、このミッションが直面する課題は包括的なものであると考えられます。上空にある関連実験装置の正味重量はわずか約 50 キログラム、容積は 115 リットル未満です。ただし、レーザー印刷、閉ループ制御、エネルギー供給などの複数のシステムと高度に統合されています。それはペイロードベイに「小型製造研究所」を設置するようなものです。ロケットの打ち上げ段階では、激しい振動や衝撃が発生し、宇宙では極端な温度変化や放射線が発生します。これらの条件により、精密機器の信頼性に対して非常に厳しい要件が課されます。

「この目的を達成するために、研究チームは、『高精度適応閉ループ制御システムを開発』し、『多くの重要な技術的進歩を通じて』、『溶融金属の堆積と凝固プロセスの安定した制御を達成した』。「具体的には」、「この技術的進歩は、3つの核となる機能をカバーする」、「まず、微重力下での材料輸送と成形」、「金属液滴のドリフトや微小重力下での安定した材料輸送などの問題の解決」 「第2に、全プロセス閉ループ制御」、「溶融池の動的特性、材料輸送、凝固挙動などのプロセスパラメータのリアルタイムモニタリング」、「適応制御の実現」、「第3に、ペイロードとロケットの連携の高い信頼性」、「過酷な宇宙環境における機器の安定動作の確保」。

もちろん、この実証では金属溶融蒸着成形の全プロセスが正常に完了したことが確認されたが、研究チームは次のステップが「より長い時間とより複雑な作業条件下での詳細な検証」であることも明らかにした。 600キロメートルの軌道上では短期的な実験が行われており、将来の宇宙ステーションでは長期にわたる高頻度の毎日の製造が行われる予定です。その間に、まだ多くのエンジニアリング検証作業を完了する必要があります。

1つ目は材料システムの拡大であり、2つ目はプロセスの拡大です。現在の検証は、主に特定の金属材料セットとレーザーヒューズの技術的ルートに焦点を当てています。しかし、実際の状況では、航空宇宙ミッションでは、アルミニウム合金、チタン合金、ステンレス鋼、高温合金、その他の材料のさまざまなプロセス要件に対処する必要があります。中国科学院力学研究所はすでに「宇宙製造の材料およびプロセスシステムをさらに拡張し、複数材料の統合製造能力を開発する」ことを計画している。

さらに、軌道上製造の品質検査や標準化システムも確立する必要がある。地上では、3D プリント部品の X 線検査や機械的特性試験などの一連の厳格な検査を実行できます。しかし、宇宙では機器や環境の制限により、軌道上での印刷品質のリアルタイム評価と閉ループフィードバックをどのように行うかが依然として緊急の課題であり、解決する必要があります。

宇宙飛行士や航空宇宙エンジニアにとって、宇宙金属 3D プリンティング技術の画期的な進歩は、前例のないレベルの自律性を意味します。 「宇宙金属3Dプリンティング技術を使えば、その場での製造と迅速な修理が可能となり、宇宙ミッションの自律性と柔軟性が大幅に向上する可能性があります。」将来の宇宙ステーションの運用において、小さなネジが破損したり、接続部が破損したりしても、地上からの供給を何ヶ月も待つ必要はありません。緊急のニーズは、軌道上での印刷によって解決できます。

科学研究者にとっては、宇宙製造で蓄積された最先端の材料制御技術が地上のハイエンド製造にフィードバックされ、産業レベルや製品品質の向上につながります。産業界にとって、微小重力環境は材料科学研究のためのユニークな実験プラットフォームを提供します。このプラットフォームには重力による対流や沈下がないため、地上では入手が難しい新たな合金材料の作製が可能です。

一般の人々にとって、この技術的進歩は、将来の宇宙旅行、月面基地での生活、その他のシナリオのより明確な全体像を概説します。 「おそらく将来、私たちが宇宙で使用する工具やメンテナンス機器がこの 3D プリンティング技術で作られるようになるでしょう。」同時に、テクノロジーの連鎖的な効果は、高性能の医療機器、軽量で耐久性の高い自動車部品など、地上の日常生活にも恩恵をもたらし、宇宙製造技術のフィードバックによってブレークスルーを達成する可能性があります。

国家戦略レベルから見ると、私たちが宇宙大国へ、そして宇宙大国からの変革に向けて進む中で、宇宙製造は重要な支援技術の 1 つです。