Fabricação de espaço - Space manufacturing

Uma visão de uma futura base lunar que poderia ser produzida e mantida usando impressão 3D.
Cristais cultivados por cientistas americanos na Estação Espacial Russa Mir em 1995: (a) canavalina romboédrica , (b) creatina quinase , (c) lisozima , (d) catalase bovina , (e) alfa amilase suína , (f) catalase fúngica, (g) miglobina, (h) concanavalina B , (i) taumatina , (j) apo ferritina , (k) vírus do mosaico do tabaco por satélite e (l) canavalina hexagonal.
Comparação do crescimento de cristais de insulina no espaço sideral (esquerda) e na Terra (direita).

In-Space Manufacturing (ISM) envolve um conjunto abrangente de processos voltados para a produção de bens manufaturados no ambiente espacial. ISM também é freqüentemente usado como sinônimos com o termo manufatura em órbita, uma vez que as capacidades de produção atuais são limitadas à baixa órbita da Terra .

Existem várias razões para apoiar a fabricação no espaço:

  • O ambiente espacial, em particular os efeitos da microgravidade e do vácuo , permitem a pesquisa e a produção de bens que de outra forma não poderiam ser fabricados na Terra.
  • A extração e processamento de matérias-primas de outros corpos astronômicos , também chamada de Utilização de Recursos In-Situ (ISRU), poderia permitir missões de exploração espacial mais sustentáveis ​​a um custo reduzido em comparação com o lançamento de todos os recursos necessários da Terra.
  • As matérias-primas podem ser transportadas para a órbita baixa da Terra, onde podem ser processadas em mercadorias que são enviadas para a Terra. Ao substituir a produção terrestre na Terra, pretende-se preservar a Terra.
  • Matérias-primas de valor muito alto, por exemplo ouro, prata ou platina, podem ser transportadas para a órbita baixa da Terra para processamento ou transferência para a Terra, que se acredita ter o potencial de se tornar economicamente viável.

História

Durante a missão Soyuz 6 de 1969, os cosmonautas russos realizaram os primeiros experimentos de soldagem no espaço. Três processos de soldagem diferentes foram testados usando uma unidade de hardware chamada Vulkan. Os testes incluíram soldagem de alumínio , titânio e aço inoxidável .

A missão Skylab , lançada em maio de 1973, serviu como um laboratório para realizar vários experimentos de fabricação espacial. A estação foi equipada com uma instalação de processamento de materiais que incluía um forno elétrico multiuso , uma câmara de crescimento de cristal e um canhão de feixe de elétrons . Entre os experimentos a serem realizados estava a pesquisa sobre processamento de metal fundido; fotografar o comportamento de materiais inflamados em gravidade zero; crescimento de cristal; processamento de ligas imiscíveis ; brasagem de tubos de aço inoxidável , soldagem por feixe de elétrons e a formação de esferas de metal fundido . A tripulação gastou um total de 32 horas de trabalho em ciência de materiais e investigação de fabricação espacial durante a missão.

O Instituto de Estudos Espaciais começou a hospedar uma Conferência de Fabricação Espacial semestral em 1977.

A pesquisa de microgravidade no processamento de materiais continuou em 1983, usando as instalações do Spacelab . Este módulo foi colocado em órbita 26 vezes a bordo do Ônibus Espacial , desde 2002. Nessa função, o ônibus espacial serviu como uma plataforma de pesquisa provisória de curta duração antes da conclusão da Estação Espacial Internacional .

O Wake Shield Facility é implantado pelo braço robótico do Ônibus Espacial . Imagem da NASA

Em fevereiro de 1994 e setembro de 1995, o Wake Shield Facility foi colocado em órbita pelo ônibus espacial . Esta plataforma de demonstração usou o vácuo criado na esteira orbital para fabricar filmes finos de arseneto de gálio e arsenieto de gálio e alumínio .

Em 31 de maio de 2005, o laboratório Foton-M2 recuperável e não tripulado foi lançado em órbita. Entre os experimentos estavam o crescimento de cristais e o comportamento do metal fundido na ausência de peso.

A conclusão da Estação Espacial Internacional proporcionou instalações ampliadas e aprimoradas para a realização de pesquisas industriais. Isso levou e continuará a levar a melhorias em nosso conhecimento das ciências dos materiais, novas técnicas de manufatura na Terra e, potencialmente, algumas descobertas importantes nos métodos de manufatura espacial. A NASA e a Tethers Unlimited testarão o Refabricator a bordo da ISS, que se destina a reciclar plástico para uso na fabricação de aditivos espaciais.

O Levitador Eletromagnético do Laboratório de Ciência de Materiais (MSL-EML) a bordo do Laboratório Columbus é uma instalação científica que pode ser usada para estudar as propriedades de fusão e solidificação de vários materiais. O Fluid Science Laboratory (FSL) é usado para estudar o comportamento de líquidos na microgravidade.

Propriedades materiais no ambiente espacial

Existem várias diferenças únicas entre as propriedades dos materiais no espaço em comparação com os mesmos materiais na Terra. Essas diferenças podem ser exploradas para produzir técnicas de fabricação exclusivas ou aprimoradas.

  • O ambiente de microgravidade permite o controle da convecção em líquidos ou gases e a eliminação da sedimentação. A difusão torna-se o meio principal de mistura de materiais, permitindo que materiais de outra forma imiscíveis sejam misturados. O ambiente permite o crescimento aprimorado de cristais maiores e de qualidade superior em solução.
  • O vácuo ultralimpo do espaço permite a criação de materiais e objetos muito puros. O uso de deposição de vapor pode ser usado para acumular materiais camada por camada, livre de defeitos.
  • A tensão superficial faz com que os líquidos em microgravidade formem esferas perfeitamente redondas. Isso pode causar problemas ao tentar bombear líquidos através de um conduíte, mas é muito útil quando esferas perfeitas de tamanho consistente são necessárias para uma aplicação.
  • O espaço pode fornecer extremos prontamente disponíveis de calor e frio. A luz solar pode ser focada para concentrar calor suficiente para derreter os materiais, enquanto objetos mantidos em sombra perpétua são expostos a temperaturas próximas do zero absoluto. O gradiente de temperatura pode ser explorado para produzir materiais vítreos fortes.

Processamento de materiais

Para a maioria das aplicações de manufatura, os requisitos de materiais específicos devem ser atendidos. Os minérios minerais precisam ser refinados para extrair metais específicos e os compostos orgânicos voláteis precisam ser purificados. O ideal é que essas matérias-primas sejam entregues ao local de processamento de maneira econômica, onde o tempo de chegada, o gasto de energia de propulsão e os custos de extração são considerados no processo de planejamento . Os minerais podem ser obtidos de asteróides , da superfície lunar ou de um corpo planetário. Os voláteis poderiam ser obtidos de um cometa , condrito carbonáceo ou asteróides "Tipo C", ou das luas de Marte ou de outros planetas. Também pode ser possível extrair hidrogênio na forma de gelo de água ou minerais hidratados de armadilhas frias nos pólos da lua .

A menos que o processamento de materiais e os locais de fabricação sejam co-localizados com as instalações de extração de recursos, as matérias-primas precisariam ser movidas no sistema solar . Existem vários meios propostos para o fornecimento de propulsão para este material, incluindo as velas solares , velas eléctricos , velas magnéticos , eléctricos propulsores iônicos , propulsores electrotérmicos microondas , ou controladores de massa (este último método utiliza uma sequência de electromagnetos montado numa linha para acelerar um condutor material).

Na instalação de processamento de materiais, os materiais recebidos precisarão ser capturados de alguma forma. Foguetes de manobra presos à carga podem estacionar o conteúdo em uma órbita correspondente. Alternativamente, se a carga estiver se movendo em um delta-v baixo em relação ao destino, ela pode ser capturada por meio de um coletor de massa . Isso poderia consistir em uma rede grande e flexível ou estrutura inflável que transferiria o momento da massa para a instalação maior. Uma vez no lugar, os materiais podem ser movidos para o lugar por meios mecânicos ou por meio de pequenos propulsores.

Os materiais podem ser usados ​​para a fabricação em sua forma bruta ou processando-os para extrair os elementos constituintes. As técnicas de processamento incluem vários métodos químicos , térmicos , eletrolíticos e magnéticos para separação. No curto prazo, métodos relativamente simples podem ser usados ​​para extrair alumínio , ferro , oxigênio e silício de fontes lunares e asteroidais. Elementos menos concentrados provavelmente exigirão instalações de processamento mais avançadas, que podem ter que esperar até que uma infraestrutura de manufatura espacial seja totalmente desenvolvida.

Alguns dos processos químicos exigirão uma fonte de hidrogênio para a produção de água e misturas de ácido . O gás hidrogênio também pode ser usado para extrair oxigênio do rególito lunar , embora o processo não seja muito eficiente. Portanto, uma fonte prontamente disponível de voláteis úteis é um fator positivo no desenvolvimento da fabricação espacial. Alternativamente, o oxigênio pode ser liberado do regolito lunar sem reutilizar quaisquer materiais importados, aquecendo o regolito a 4.530 ° F (2.500 ° C) no vácuo. Isso foi testado na Terra com simulante lunar em uma câmara de vácuo. Até 20% da amostra foi liberada como oxigênio livre. Eric Cardiff chama o restante de escória. Este processo é altamente eficiente em termos de materiais importados consumidos por lote, mas não é o processo mais eficiente em energia por quilograma de oxigênio.

Um método proposto de purificação de materiais asteróides é através do uso de monóxido de carbono (CO). Aquecer o material a 500 ° F (260 ° C) e expô-lo ao CO faz com que os metais formem carbonilas gasosas . Este vapor pode então ser destilado para separar os componentes metálicos e o CO pode então ser recuperado por outro ciclo de aquecimento. Assim, um navio automatizado pode retirar materiais soltos da superfície, digamos, do relativamente próximo 4660 Nereus (em termos de delta-v), processar o minério usando aquecimento solar e CO e, eventualmente, retornar com uma carga de metal quase puro. A economia desse processo pode permitir que o material seja extraído por um vigésimo do custo de lançamento da Terra, mas seria necessária uma viagem de ida e volta de dois anos para retornar qualquer minério extraído.

Manufatura

Devido às restrições de velocidade da luz na comunicação, a fabricação no espaço em um ponto distante de aquisição de recursos exigirá uma robótica completamente autônoma para realizar o trabalho ou uma equipe humana com todos os requisitos de segurança e habitat que os acompanham. Se a planta for construída em órbita ao redor da Terra , ou perto de um habitat espacial tripulado , no entanto, dispositivos telerobóticos podem ser usados ​​para certas tarefas que requerem inteligência humana e flexibilidade.

A energia solar fornece uma fonte de energia prontamente disponível para processamento térmico. Mesmo com o calor sozinho, materiais simples termicamente fundidos podem ser usados ​​para a construção básica de estruturas estáveis. O solo a granel da Lua ou asteróides tem um teor de água muito baixo e, quando derretido para formar materiais vítreos, é muito durável. Esses sólidos vítreos simples podem ser usados ​​para a montagem de habitats na superfície da Lua ou em outro lugar. A energia solar pode ser concentrada na área de fabricação por meio de uma série de espelhos direcionáveis .

A disponibilidade e as propriedades físicas favoráveis ​​dos metais farão deles um componente importante da fabricação espacial. A maioria das técnicas de manuseio de metal usadas na Terra também pode ser adotada para a fabricação espacial. Algumas dessas técnicas precisarão de modificações significativas devido ao ambiente de microgravidade .

A produção de aço temperado no espaço apresentará alguns novos fatores. O carbono só aparece em pequenas proporções nos materiais da superfície lunar e precisará ser enviado de outro lugar. Os resíduos transportados por humanos da Terra são uma fonte possível, assim como os cometas. A água normalmente usada para temperar o aço também será escassa e exigirá forte agitação.

Fundir aço pode ser um processo difícil na microgravidade, exigindo processos especiais de aquecimento e injeção ou conformação por rotação. O aquecimento pode ser realizado usando a luz solar combinada com aquecedores elétricos. O processo de fundição também precisa ser gerenciado para evitar a formação de vazios conforme o aço esfria e encolhe.

Várias técnicas de processamento de metal podem ser usadas para moldar o metal na forma desejada. Os métodos padrão são fundição, trefilagem , forjamento , usinagem , laminação e soldagem . Os metais de laminação e trefilação requerem aquecimento e resfriamento subsequente. O forjamento e a extrusão podem exigir prensas elétricas, pois a gravidade não está disponível. A soldagem por feixe de elétrons já foi demonstrada a bordo do Skylab e provavelmente será o método de escolha no espaço. As operações de usinagem podem exigir ferramentas de precisão que precisarão ser importadas da Terra por algum tempo.

Novas tecnologias de manufatura espacial estão sendo estudadas em locais como o Centro Nacional de Manufatura Avançada de Marshall . Os métodos que estão sendo investigados incluem revestimentos que podem ser pulverizados em superfícies no espaço usando uma combinação de calor e energia cinética e fabricação de peças de forma livre de feixe de elétrons. Abordagens como essas, bem como o exame das propriedades dos materiais que podem ser investigadas em um laboratório orbital, serão estudadas na Estação Espacial Internacional pela NASA e pela Made In Space, Inc.

Impressão 3D no espaço

A opção de itens de impressão 3D no espaço oferece muitas vantagens em relação à fabricação situada na Terra. Com as tecnologias de impressão 3D, em vez de exportar ferramentas e equipamentos da Terra para o espaço, os astronautas têm a opção de fabricar os itens necessários diretamente. Os padrões de fabricação sob demanda tornam as viagens espaciais de longa distância mais viáveis ​​e autossuficientes, pois as excursões espaciais exigem menos carga. A segurança da missão também foi melhorada.

As impressoras 3D Made In Space, Inc. , lançadas em 2014 na Estação Espacial Internacional , são projetadas especificamente para um ambiente de gravidade zero ou microgravidade. O esforço foi premiado com o Contrato de Pesquisa e Inovação em Pequenas Empresas de Fase III. A Instalação de Fabricação de Aditivos será usada pela NASA para realizar reparos (inclusive durante situações de emergência), atualizações e instalação. Made In Space lista as vantagens da impressão 3D como personalização fácil, desperdício mínimo de matéria-prima, peças otimizadas, tempo de produção mais rápido, eletrônica integrada, interação humana limitada e opção de modificar o processo de impressão.

O experimento Refabricator, em desenvolvimento pela Firmamentum, uma divisão da Tethers Unlimited, Inc. sob um contrato de Pesquisa de Inovação em Pequenas Empresas da Fase III da NASA, combina um sistema de reciclagem e uma impressora 3D para realizar a demonstração de fabricação no espaço em ciclo fechado no International Estação Espacial (ISS). O experimento Refabricator, que foi entregue à ISS a bordo do Cygnus NG-10 em 19 de novembro, processa matéria-prima de plástico por meio de vários ciclos de impressão e reciclagem para avaliar quantas vezes os materiais plásticos podem ser reutilizados no ambiente de microgravidade antes que seus polímeros se degradem para níveis inaceitáveis.

Além disso, a impressão 3D no espaço também pode contabilizar a impressão de refeições. O programa Advanced Food Technology da NASA está atualmente investigando a possibilidade de imprimir itens alimentares a fim de melhorar a qualidade, o teor de nutrientes e a variedade dos alimentos.

Produtos

Acredita-se que haja uma série de produtos úteis que podem ser potencialmente fabricados no espaço e resultar em um benefício econômico. Pesquisa e desenvolvimento são necessários para determinar as melhores mercadorias a serem produzidas e para encontrar métodos de produção eficientes. Os produtos a seguir são considerados candidatos iniciais em potencial:

À medida que a infraestrutura é desenvolvida e o custo de montagem diminui, parte da capacidade de fabricação pode ser direcionada para o desenvolvimento de instalações expandidas no espaço, incluindo fábricas em maior escala. Isso provavelmente exigirá o uso de materiais lunares e asteróides e, portanto, acompanharão o desenvolvimento das bases de mineração.

Rock é o produto mais simples e, no mínimo, é útil para proteção contra radiação. Ele também pode ser subsequentemente processado para extrair elementos para vários usos.

Água de fontes lunares, asteróides próximos da Terra ou luas marcianas é considerada relativamente barata e simples de extrair, e oferece desempenho adequado para muitos fins de manufatura e transporte de materiais. A separação da água em hidrogênio e oxigênio pode ser facilmente realizada em pequena escala, mas alguns cientistas acreditam que isso não será realizado em grande escala inicialmente devido à grande quantidade de equipamento e energia elétrica necessária para dividir a água e liquidificar os gases resultantes. A água usada em foguetes a vapor dá um impulso específico de cerca de 190 segundos; menos da metade do hidrogênio / oxigênio, mas isso é adequado para delta-v que são encontrados entre Marte e a Terra. A água é útil como escudo contra a radiação e em muitos processos químicos.

Cerâmica feita de solo lunar ou asteróide pode ser empregada para uma variedade de finalidades de fabricação. Esses usos incluem vários isolantes térmicos e elétricos, como escudos térmicos para cargas que estão sendo entregues à superfície da Terra.

Os metais podem ser usados ​​para montar uma variedade de produtos úteis, incluindo recipientes selados (como tanques e tubos), espelhos para focalizar a luz solar e radiadores térmicos. O uso de metais para dispositivos elétricos exigiria isoladores para os fios, portanto, um material isolante flexível, como plástico ou fibra de vidro, será necessário.

Espera-se que um resultado notável da fabricação espacial seja os painéis solares. Matrizes expansivas de energia solar podem ser construídas e montadas no espaço. Como a estrutura não precisa suportar as cargas que seriam experimentadas na Terra, enormes matrizes podem ser montadas com quantidades proporcionalmente menores de material. A energia gerada pode então ser usada para alimentar instalações de manufatura, habitats, espaçonaves, bases lunares e até mesmo transmitida para coletores na Terra com microondas .

Outras possibilidades de fabricação espacial incluem propelentes para espaçonaves, algumas peças de reparo para espaçonaves e habitats espaciais e, é claro, fábricas maiores. Em última análise, as instalações de manufatura espaciais podem, hipoteticamente, se tornar quase autossustentáveis, exigindo apenas importações mínimas da Terra. O ambiente de microgravidade permite novas possibilidades de construção em grande escala, incluindo a engenharia em megescala . Esses projetos futuros podem potencialmente montar elevadores espaciais , enormes fazendas de painéis solares, espaçonaves de altíssima capacidade e habitats rotativos capazes de sustentar populações de dezenas de milhares de pessoas em condições semelhantes às da Terra.

Desafios

Espera-se que o ambiente espacial seja benéfico para a produção de uma variedade de produtos, desde que os obstáculos possam ser superados. O custo mais significativo é superar o obstáculo da energia para colocar materiais em órbita. Uma vez que essa barreira é significativamente reduzida no custo por quilo , o preço de entrada para a fabricação do espaço pode torná-la muito mais atraente para os empresários. Depois que os pesados custos de capitalização de montagem das instalações de mineração e manufatura forem pagos, a produção precisará ser economicamente lucrativa para se tornar autossustentável e benéfica para a sociedade.

Os requisitos econômicos da fabricação de espaço implicam na necessidade de coletar as matérias-primas necessárias a um custo mínimo de energia. O custo do transporte espacial está diretamente relacionado ao delta-v , ou mudança na velocidade necessária para mover-se dos locais de mineração para as fábricas. Trazer material para a órbita da Terra de corpos como asteróides próximos da Terra , Phobos , Deimos ou a superfície lunar requer muito menos delta-v do que o lançamento da própria Terra, apesar das distâncias maiores envolvidas. Isso torna esses locais economicamente atraentes como fontes de matéria-prima.

Veja também

Referências

Leitura adicional

links externos