無重力環境でのスペアパーツの印刷

Apr 30, 2023

次の乗組員が国際宇宙ステーション ISS に向かう際には、金属 3D プリンターが搭載される予定です。 長期的には、このプリンターは宇宙でスペアパーツを製造するために使用されるだけでなく、地球上の資源の有効利用につながる重要な新しい知識も提供するでしょう。

DTU 教授で宇宙機器および技術の専門家であるジョン・レイフ・ヨルゲンセン氏が指摘するように、在庫のないスペアパーツが突然必要になった場合、地表から数百キロメートル上空の宇宙ステーションから作業場までは長い道のりがあります。 。 金属 3D プリンターはまさにその課題の解決策となる可能性があります。

デンマーク人宇宙飛行士アンドレアス・モーエンセン率いるフギンミッションの人々が、ISSで最新のプリンターをテストするのはまさにそれが理由だ。 このプリンタは、欧州の航空機メーカーであるエアバスが欧州宇宙機関 ESA のためにこの目的のために開発したものです。 「このようなプリンターは、必要なビットを正確に印刷できます」と、ジョン・リーフ・ヨルゲンセン氏は言います。

プリンターにはステンレスワイヤーを噴射するノズルが装備されています。 プリンターが移動する間にレーザー ビームがワイヤーを溶かし、選択したパターンを作成し、プリンターが設定されているオブジェクトを構築します。

「技術的には、レーザービームで所定の位置に溶かす小さな溶接ワイヤーにすぎません。しかし、これにより、従来の製造現場から遠く離れた場所でも複雑なオブジェクトを製造できるようになります。」と教授は言います。

ISS への訪問は、エアバスに、宇宙でより大規模にスペアパーツを製造できるプリンターを作るためにどのような変更が必要かについて重要な洞察を与えるでしょう。

プロジェクトの一環として、宇宙飛行士は慎重に設計された高さ 5 cm の構造物のコピーを印刷します。 DTU の研究者は、地球上でも同様のモデルを作成しました。 Huginn のスタッフが戻ってきたら、研究者たちは 2 つの印刷されたモデルの正確な測定を行い、それらの間にどのような違いが存在するかを判断する予定です。

「地球上で作られるものはすべて重力の影響を受けます。これは、物理的効果が重力に沿って、または重力を越えて異なる可能性があることを意味します。そのような影響の 1 つは、物体が加工される際に加熱および冷却の仕方が異なることが多く、内部張力が生じ、その結果、材料が歪む可能性があります。」 ISS には重力が存在しないため、印刷された図に組み込まれた張力は最小限に抑えられます」とジョン リーフ ヨルゲンセン氏は説明します。

地球上と宇宙で印刷されたオブジェクトの違いをマッピングすることは、科学者がさまざまな熱的および機械的条件下で金属がどのように動作するかについての基本的な質問に対するより良い答えを見つけるのに役立ちます。

材料物理学に対するこの深い洞察は、たとえば、地球上で金属製品の製造業者が使用する安全マージンを削減するために使用でき、それによって資源消費を削減できます。「たとえば、航空機の部品など」とジョン・レイフ・ヨルゲンセン氏は説明します。材料がどのように挙動するかを正確に知らないため、必要以上に強く作られています。これは明らかに自動車や自転車などにも当てはまります。将来的には、当社が提供するコンポーネントや材料の多くを使用することで効率を向上させることができるでしょう。責任を持って安全マージンを減らし、限界に近づくことができれば、今日の社会で使用できます。」

他の 2 つの DTU プロジェクトが、8 月に打ち上げられる予定の Huginn ミッションに関与する予定です。

プロジェクトの 1 つは、宇宙ミッション中に精神的健康を刺激するツールとして仮想現実 (VR) をテストする予定です。 DTU が率いるコンソーシアムは、宇宙飛行士を森の中の小川などの平和な場所に輸送できる VR システムを提供し、それによって長期ミッションにおける宇宙飛行士の精神的健康を向上させる予定です。

宇宙で機能する機器の開発は課題です。 利用可能な VR システムは重力を利用して、ユーザーに表示される宇宙が正しい方向を向いており、たとえば宇宙飛行士が頭を向けたときに画像が「ちらつく」ことなく表示されるようにします。

したがって、宇宙飛行士の乗り物酔いを避けるために、無重力状態でも同様に機能するシステムを開発するには多大な労力が必要になります。 しかし、意図したとおりに機能すれば、練習、トレーニング、エンターテイメントなどの空間での VR の幅広い応用への扉が開かれることになります。

2 番目のプロジェクトでは、アンドレアス モーエンセンは、雷雲から発せられ、高さ 50 キロメートルに達する強力な稲妻を引き続き撮影します。この稲妻は、2015 年の最初の短期間のミッション中にビデオで撮影されました。

新しいミッションに向けて、DTUスペースはデンマークの宇宙飛行士に、驚異的な電気活動の前例のないコントラストを備えた毎秒最大10万枚の画像を撮影できるはるかに優れたカメラシステムを装備し、この現象についての新たな洞察と展望を提供する予定です。

DTU スペースが科学的管理を担当しているデンマークの宇宙気候観測所 ASIM から収集されたデータと合わせた多くの新しい画像は、雷が大気中の温室効果ガス濃度、ひいては地球の気候にどのような影響を与えるかについて、DTU 研究者にさらなる知識を提供するでしょう。

たとえば、そのような知識により、研究者は気候モデルを改善できるようになります。

デンマーク工科大学提供