宇宙製造業

宇宙製造業または宇宙内製造業（略してISM ）は、地球の大気圏外（より一般的には惑星の大気圏外）での有形物品の製造、組み立て、統合であり、原材料またはリサイクル材料を宇宙で部品、製品、またはインフラストラクチャに変換することを含み、製造プロセスは、宇宙のユニークな特性を利用して人間または自動システムによって実行されます。^[3]宇宙/宇宙内製造業の同義語には、軌道上製造業（ほとんどの生産能力が低地球軌道に限定されているため）、地球外製造業、宇宙ベースの製造業、軌道上製造業、その場製造業、宇宙内製造、宇宙内生産などがあります。 ^[3]

宇宙での製造業の3つの主要分野は、製品を宇宙に残す宇宙向けISM（宇宙用ISM）、宇宙の微小重力下で生産された特性が改善された製品を地球に輸送する地球向けISM（宇宙用ISM）、月、火星、小惑星などの天体の表面で製品を生産または送る地表向けISMである。^[3]

宇宙での製造では、積層造形（3Dオブジェクトを連続した層で印刷する）、減算造形（固体から材料を連続的に除去して3Dオブジェクトを作成する）、ハイブリッド造形（通常は積層造形と減算造形を組み合わせたもの）、溶接（接合線に沿って材料を溶かしたり可塑化したりして接合する）などのプロセスが使用されます。^[4]

宇宙での製造は、打ち上げパラメータ（質量、振動、構造負荷など）による宇宙船の設計上の制限や、ペイロードサイズによって課せられる容積制限を取り除きます。打ち上げられた材料のリサイクル、宇宙で採掘された資源の利用、オンデマンドのスペアパーツ製造が可能になり、重要な部品の現地修理（信頼性と冗長性の向上）やインフラ開発が可能になります。微小重力、超真空、コンテナレス処理など、地球上では難しい宇宙特有の特徴を活用します。^{[3] [4]}

宇宙での製造は、宇宙でのサービス、組立、製造（ISAM）というより広範な活動の一部であり、その場資源利用（ISRU）に関連しています。^[3]

宇宙での製造（ISM）は、製造された製品の最終用途に応じて3つの異なる領域に分類できます。^[3]宇宙向けの宇宙での製造（宇宙向け）は、宇宙で使用することを目的とした軌道上建設に重点を置いた活動です。地球向けのISM（地球向け）は、微小重力下で製造され、その後地球に輸送されると強化された特性を示す新しい材料や製品の製造です。最後に、地表向けのISMは、月、火星、小惑星などの天体の表面での作業にまで及びます。

宇宙での製造には、いくつかの動機付け要因がある。宇宙環境、特に微小重力と真空の影響により、地球上では製造できない製品の研究と製造が可能になる。第二に、他の天体からの原材料の抽出と加工は、その場資源利用（ISRU）とも呼ばれ、必要なすべての資源を地球から打ち上げる場合に比べて低コストで、より持続可能な宇宙探査ミッションを可能にする可能性がある。さらに、原材料を低地球軌道に輸送し、そこで商品に加工して地球に出荷することもできる。これは、地球上の陸上生産を置き換えることで、地球を保護することを目指している。さらに、金、銀、プラチナなどの非常に価値の高い原材料を低地球軌道に輸送して加工または地球に輸送することができ、経済的に実行可能になる可能性があると考えられている。宇宙での製造は、地球外での現地修理やインフラ開発を可能にすることで、長期の宇宙ミッションと植民地化を支援している。さらに、宇宙飛行技術の分野では、宇宙製造は製造活動を分散化し、重要なシステムに冗長性を確立することでミッションの安全性を強化し、特定のミッション要件に合わせたカスタマイズされた生産を可能にし、設計の迅速な反復と適応を促進し、材料科学、ロボット工学、付加製造における技術革新を推進し、宇宙探査を超えた応用で、宇宙ベースのインフラストラクチャ開発の基盤を築き、幅広い商業活動と科学研究をサポートします。

1969 年のソユーズ 6 号ミッションで、ロシアの宇宙飛行士が宇宙で初の溶接実験を行いました。Vulkan と呼ばれるハードウェア ユニットを使用して、3 つの異なる溶接プロセスがテストされました。テストには、アルミニウム、チタン、ステンレス鋼の溶接が含まれていました。

1973 年 5 月に打ち上げられたスカイラブミッションは、さまざまな宇宙製造実験を行うための実験室として機能しました。ステーションには、多目的電気炉、結晶成長室、電子ビーム銃などの材料処理施設が備え付けられていました。実施される実験には、溶融金属処理の研究、無重力状態での発火物質の挙動の撮影、結晶成長、非混和性合金の処理、ステンレス鋼管のろう付け、電子ビーム溶接、溶融金属からの球体の形成などがありました。乗組員は、ミッション中に材料科学と宇宙製造の調査に合計 32 時間を費やしました。

宇宙研究所は1977年に2年ごとに宇宙製造会議を主催し始めました^[要出典]。

材料加工における微小重力研究は、1983 年もスペースラボ施設を使用して継続されました。このモジュールは、 2002 年現在までに、スペース シャトルに搭載されて 26 回軌道上に運ばれています。この役割において、シャトルは国際宇宙ステーション^{[アップデート]}の完成までの暫定的な短期研究プラットフォームとして機能しました。

1994 年 2 月と 1995 年 9 月に、スペース シャトルによってウェイク シールド施設が軌道上に運ばれました。この実証プラットフォームは、軌道のウェイクで生成された真空を使用して、ガリウム ヒ素とアルミニウムガリウム ヒ素 の薄膜を製造しました。

2005 年 5 月 31 日、回収可能な無人実験室Foton-M2が軌道上に打ち上げられました。実験には結晶の成長や無重力状態での溶融金属の挙動などが含まれていました。

国際宇宙ステーションの完成により、産業研究を行うための施設が拡張され、改善されました。これにより、材料科学に関する知識の向上、地球上での新しい製造技術、そして宇宙での製造方法に関する重要な発見につながる可能性があります。NASAとTethers Unlimitedは、宇宙での付加製造に使用するためにプラスチックをリサイクルすることを目的としたRefabricatorをISSでテストする予定です。^[5]

コロンバス研究所に搭載されている材料科学研究所電磁浮上装置（MSL-EML）は、さまざまな材料の溶融および凝固特性を研究するために使用できる科学施設です。流体科学研究所（FSL）は、微小重力下での液体の挙動を研究するために使用されます。^[6]

宇宙の材料の特性と地球上の同じ材料の特性には、いくつかの独特な違いがあります。これらの違いを利用して、独自の製造技術や改良された製造技術を生み出すことができます。

• 微小重力環境により、液体や気体の対流を制御し、沈殿を排除することができます。拡散が材料混合の主な手段となり、本来混ざり合わない材料を混合できるようになります。
• この環境により、溶液中でより大きく、より高品質の結晶の成長が促進されます。
• 宇宙の超清浄な真空により、非常に純粋な材料や物体を作り出すことができます。蒸着法を利用すると、欠陥のない材料を層ごとに積み重ねることができます。
• 表面張力により、微小重力下の液体は完全に丸い球体を形成します。これは、導管を通して液体を送り込むときに問題を引き起こす可能性がありますが、アプリケーションで一定の大きさの完全な球体が必要な場合には非常に便利です。
• 宇宙では、極端な暑さや寒さを簡単に得ることができます。太陽光を集中させて材料を溶かすのに十分な熱を集中させることができ、一方、常に日陰に置かれた物体は絶対零度に近い温度にさらされます。温度勾配を利用して、強度の高いガラス質の材料を生産することができます。

ほとんどの製造用途では、特定の材料要件を満たす必要があります。特定の金属を抽出するには鉱石 を精製する必要があり、揮発性有機化合物は精製する必要があります。理想的には、これらの原材料は、到着時間、推進エネルギー消費、および抽出コストが計画プロセスに考慮された経済的な方法で処理現場に運ばれます。鉱物は、小惑星、月面、または惑星体から取得できます。揮発性物質は、彗星、炭素質コンドライトまたは「C 型」小惑星、または火星や他の惑星の衛星から取得できる可能性があります。また、月の極のコールド トラップから水氷または水和鉱物の形で水素を抽出できる可能性があります。

材料処理および製造現場が資源抽出施設と同じ場所に設置されていない限り、原材料は太陽系内を移動する必要がある。この材料を推進力として提供する手段としては、ソーラーセイル、電気セイル、磁気セイル、電気イオンスラスタ、マイクロ波電熱スラスタ、マスドライバー（この最後の方法では、一列に並べられた一連の電磁石を使用して導電性材料を加速する）など、いくつか提案されている。

材料処理施設では、入ってくる材料を何らかの方法で捕獲する必要があります。荷物に取り付けられた操縦ロケットは、内容物を一致する軌道に留めることができます。あるいは、荷物が目的地に対して低いデルタ vで移動している場合は、マス キャッチャーを使用して捕獲できます。これは、質量の運動量をより大きな施設に伝達する、大きくて柔軟なネットまたは膨張式構造物で構成されます。所定の位置に置かれた材料は、機械的な手段または小さなスラスタを使用して所定の場所に移動できます。

材料は、そのまま製造に使用することも、加工して構成元素を抽出することもできます。加工技術には、化学的、熱的、電解的、磁気的分離法などがあります。近い将来、月や小惑星からアルミニウム、鉄、酸素、シリコンを抽出する比較的簡単な方法が考えられます。濃度の低い元素には、より高度な加工施設が必要になる可能性があり、宇宙製造インフラが完全に整備されるまで待たなければならないかもしれません。^[7]

いくつかの化学プロセスでは、水と酸の混合物を生成するために水素源が必要となる。水素ガスは月のレゴリスから酸素を抽出するためにも使用できるが、このプロセスはあまり効率的ではない。^{[説明が必要] [8]}そのため、すぐに入手できる有用な揮発性物質の供給源は、宇宙製造業の発展にとってプラスの要因となる。あるいは、レゴリスを真空中で 4,530 °F (2,500 °C) に加熱することで、輸入材料を再利用せずに月のレゴリスから酸素を放出することもできる。これは、地球上で真空チャンバー内で月の模擬物を使用してテストされた。サンプルの最大 20% が自由酸素として放出された。エリック・カーディフは、残りをスラグと呼んでいる。このプロセスは、バッチあたりの輸入材料の消費量では非常に効率的だが、酸素 1 キログラムあたりのエネルギー効率では最も効率的なプロセスではない。^[9]

小惑星の物質を精製する方法として提案されているものの一つは、一酸化炭素（CO）を使うことである。物質を500°F（260°C）に加熱し、COにさらすと、金属がガス状のカルボニルを形成する。この蒸気を蒸留して金属成分を分離し、別の加熱サイクルでCOを回収することができる。このようにして、自動化された船は、例えば比較的近い4660ネレウス（デルタvで）から表面のゆるい物質をかき集め、太陽熱とCOを使って鉱石を処理し、最終的にほぼ純粋な金属を積んで帰還することができる。このプロセスの経済性により、地球から打ち上げる場合の20分の1のコストで物質を抽出できる可能性があるが、採掘した鉱石を持ち帰るには往復2年かかるだろう。^[10]

光速による通信の制約のため、資源獲得のための遠隔地の宇宙での製造には、労働を実行するための完全に自律的なロボット、またはそれに伴う居住環境と安全要件をすべて備えた人間の乗組員のいずれかが必要になります。ただし、工場が地球の周りの軌道上、または有人宇宙居住地の近くに建設される場合は、人間の知性と柔軟性を必要とする特定のタスクに遠隔ロボットデバイスを使用できます。

太陽エネルギーは、熱処理にすぐに利用できる電源です。熱だけでも、熱で溶融した単純な材料を安定した構造物の基本構造に使用できます。月や小惑星の大量の土は水分含有量が非常に少なく、溶かしてガラス質の材料にすると非常に耐久性があります。これらの単純なガラス質の固体は、月面やその他の場所での居住地の組み立てに使用できます。太陽エネルギーは、可動ミラーの配列を使用して製造エリアに集中できます。

金属は入手しやすく、物理的特性も優れているため、宇宙製造の主要コンポーネントとして利用されます。地球上で使用されている金属処理技術のほとんどは、宇宙製造にも適用できます。これらの技術のいくつかは、微小重力環境のため大幅な変更が必要になります。

宇宙で硬化鋼を生産するには、いくつかの新しい要素が必要になります。炭素は月面の物質に少量しか含まれていないため、他の場所から運ぶ必要があります。地球から人間が持ち帰った廃棄物や彗星も、供給源として考えられます。また、鋼の焼き入れに通常使用される水も不足し、強力な撹拌が必要になります。

微小重力下での鋼の鋳造は難しいプロセスになる可能性があり、特別な加熱および射出プロセス、またはスピン成形が必要になります。加熱は太陽光と電気ヒーターを組み合わせて行うことができます。鋳造プロセスでは、鋼が冷えて収縮する際に空隙が形成されないように管理する必要もあります。

金属を希望の形状に成形するために、さまざまな金属加工技術を使用できます。標準的な方法は、鋳造、引抜き、鍛造、機械加工、圧延、溶接です。金属の圧延と引抜きはどちらも加熱とその後の冷却が必要です。重力が利用できないため、鍛造と押し出しには動力付きプレスが必要になる場合があります。電子ビーム溶接はスカイラブですでに実証されており、宇宙ではおそらくこれが選択される方法になります。機械加工作業には精密工具が必要になる場合があり、しばらくの間は地球から輸入する必要があります。

マーシャル国立先端製造センターなどの施設では、新しい宇宙製造技術が研究されています。研究されている方法には、熱と運動エネルギーを組み合わせて宇宙で表面にスプレーできるコーティングや、電子ビームによる部品の自由成形^[11]などがあります。このようなアプローチや、軌道上の実験室で調査できる材料特性の調査は、国際宇宙ステーションでNASAとメイド・イン・スペース社によって研究される予定です^[12]。

宇宙で3D プリント製品を製造するという選択肢には、地球上での製造に比べて多くの利点があります。3D プリント技術により、宇宙飛行士は地球から宇宙にツールや機器を輸出するのではなく、必要なアイテムを直接製造することができます。オンデマンド製造パターンにより、宇宙旅行に必要な貨物が少なくなり、長距離宇宙旅行がより実現可能かつ自給自足になります。ミッションの安全性も向上します。

2014年に国際宇宙ステーションに向けて打ち上げられたメイドインスペース社の 3Dプリンターは、無重力または微小重力環境向けに特別に設計されている。この取り組みは、フェーズIII中小企業イノベーション研究契約を受賞した。^[13] NASAは、積層造形施設を使用して、修理（緊急時を含む）、アップグレード、設置を行う。^[14]メイドインスペースは、3Dプリントの利点として、カスタマイズが容易、原材料の無駄が最小限、部品の最適化、製造時間の短縮、電子機器の統合、人的介入の制限、印刷プロセスの変更オプションなどを挙げている。^[14]

Refabricator実験は、NASAのフェーズIII中小企業革新研究契約に基づき、Tethers Unlimited, Inc.の一部門であるFirmamentumによって開発されており、リサイクルシステムと3Dプリンターを組み合わせて、国際宇宙ステーション（ISS）で密閉サイクルの宇宙製造の実証を行うものです。^[15] 2018年11月19日にCygnus NG-10でISSに運ばれたRefabricator実験は、 ^[16]複数の印刷およびリサイクルサイクルを通じてプラスチック原料を処理し、ポリマーが許容できないレベルまで劣化する前に、微小重力環境でプラスチック材料を何回再利用できるかを評価します。^[17]

さらに、宇宙での3Dプリントは食事の印刷にも応用できます。NASAの先進食品技術プログラムは現在、食品の品質、栄養価、多様性を向上させるために食品を印刷する可能性を調査しています。^[18]

エアバスは欧州宇宙機関と共同で、2022年から1年以内に宇宙で金属を印刷する最初の3DプリンターをISSに送りテストし、2022年から3～4年以内に宇宙での製造を確立する計画を開発している^。[19]

宇宙で製造でき、経済的利益をもたらす可能性のある有用な製品は数多くあると考えられています。生産する最適な商品を決定し、効率的な生産方法を見つけるには、研究開発が必要です。次の製品は、初期の有望な候補と考えられています。

• タンパク質結晶の成長
• 改良された半導体ウェハー
• マイクロカプセル化

インフラが整備され、組み立てコストが下がれば、製造能力の一部を、より大規模な製造工場を含む宇宙の拡張施設の開発に振り向けることができる。これには月や小惑星の材料の使用が必要になる可能性が高いため、採掘基地の開発がそれに続くことになる。

岩石は最も単純な製品であり、少なくとも放射線遮蔽に役立ちます。また、その後処理してさまざまな用途の元素を抽出することもできます。

月や地球近傍小惑星、火星の衛星からの水は、比較的安価で抽出が簡単であると考えられており、多くの製造や材料の輸送目的に十分な性能を発揮します。水を水素と酸素に分離することは小規模であれば簡単に行うことができますが、^水を分解して結果として生じるガスを液化するために必要な装置と電気エネルギーが大量にあるため、最初は大規模には実行されないだろうと一部の科学者 [20] は考えています。蒸気ロケットで使用される水の比推力は約 190 秒です。 ^[要出典]これは水素/酸素の半分以下ですが、火星と地球の間にあるデルタ v には十分です。^[要出典]水は放射線シールドとして、また多くの化学プロセスで役立ちます。

月や小惑星の土から作られたセラミックは、さまざまな製造目的に使用できます。^[要出典]これらの用途には、地球の表面に運ばれるペイロードの熱シールドなど、さまざまな熱および電気絶縁体が含まれます。

金属は、密閉容器（タンクやパイプなど）、太陽光を集光する鏡、熱放射器など、さまざまな有用な製品を組み立てるために使用できます。電気機器に金属を使用する場合は、電線用の絶縁体が必要になるため、プラスチックやグラスファイバーなどの柔軟な絶縁材料が必要になります。

宇宙製造業の注目すべき成果は、ソーラーパネルになると予想されています。広大なソーラーエネルギーアレイを宇宙で構築し、組み立てることができます。構造物は地球上で受ける負荷を支える必要がないため、比較的少ない量の材料で巨大なアレイを組み立てることができます。生成されたエネルギーは、製造施設、居住地、宇宙船、月面基地に電力を供給するために使用でき、マイクロ波で地球上のコレクターにビーム送信することもできます。

宇宙製造業の他の可能性としては、宇宙船の推進剤、宇宙船や宇宙居住地の修理部品、そしてもちろん、より大規模な工場などがあります。^[21]最終的には、宇宙製造施設は理論的にはほぼ自立的になり、地球からの輸入は最小限で済むようになります。微小重力環境は、メガスケールエンジニアリングを含む大規模な建設の新たな可能性をもたらします。これらの将来のプロジェクトでは、宇宙エレベーター、大規模な太陽電池パネルファーム、非常に大容量の宇宙船、地球のような環境で数万人の人口を維持できる回転式居住地を組み立てる可能性があります。

宇宙環境は、障害を克服できれば、さまざまな製品の生産に有益であると期待されています。最も大きなコストは、材料を軌道に乗せるためのエネルギーハードルを克服することです。この障壁の 1キログラムあたりのコストが大幅に削減されると、宇宙製造の参入価格は起業家にとってはるかに魅力的になります。採掘および製造施設の組み立てにかかる多額の資本コストを支払った後、生産が自立して社会に有益になるためには、経済的に利益を生む必要があります。

宇宙製造の経済的要件は、必要な原材料を最小限のエネルギーコストで収集する必要があることを意味します。宇宙輸送のコストは、デルタ v、つまり採掘現場から製造工場までの移動に必要な速度の変化に直接関係しています。地球近傍小惑星、フォボス、ダイモス、月面などの天体から地球軌道に材料を運ぶには、距離が長くなるにもかかわらず、地球自体から打ち上げるよりもはるかに少ないデルタ v が必要です。そのため、これらの場所は原材料の供給源として経済的に魅力的です。

• 酸浸出
• 小惑星採掘
• 現場資源の活用
• ISS製造
• 自己複製
• 宇宙経済
• 宇宙植民地化
• 宇宙エレベーター
• スペースラボ
• ヴァルダ宇宙産業

• アンドリュー H. カトラー、「月面および小惑星の鋼の冶金特性」、第 7 回プリンストン/AIAA/SSI カンファレンス、1985 年。
• デビッド・ガンプ、『Space Enterprise: Beyond NASA』、Praeger Publishers、1990年、ISBN 0-275-93314-8。 
• TA ヘッペンハイマー、『Colonies in Space』、1977 年、スタックポール ブックス、ISBN 0-8117-0397-5。 
• Lewis, J.、Matthews, MS、および Guerrieri, ML（編集者、1993 年、「Resources of Near-Earth Space」、アリゾナ大学出版局、1993 年。ISBN 978-0-8165-1404-5。 
• Wahl, Bruno W. (1968)。宇宙での製造業の選択的機会の分析。マクドナルド・ダグラス宇宙航行社。

ウィキメディア・コモンズには、微小重力に関連するメディアがあります。

• 恒久的 — 短期的な宇宙資源の利用
• 宇宙研究所
• スカイラボ：ガイドブック（第5章第4節を参照）
• スペースハブ
• ウェイクシールド施設プログラム
• v:Lunar Boom Town 参加者が将来の宇宙ベンチャーを計画し研究する、Wikiversity のロールプレイング研究グループ。