تصنيع فضائي

تاريخ

ومن ناحية أخرى، في 31 مايو 2005، أُطلق مختبر فوتون- م2 بدون طيار إلى مداره. كان النمو البلوري وسلوك المعدن المنصهر في انعدام الوزن من بين التجارب التي أديت فيه.

كذلك، بدأ معهد دراسات الفضاء استضافة مؤتمر التصنيع الفضائي مرتين سنويًا عام 1977.

ومن جهة أخرى، أثناء مهمة سويوز 6 عام 1969، أجرى رواد الفضاء الروس أول تجربة لحام في الفضاء. اختُبرت ثلاث عمليات لحام مختلفة باستخدام جهاز يسمى فولكان. تضمنت الاختبارات لحام الألومنيوم والتيتانيوم والفولاذ المقاوم للصدأ.

وعلى صعيد آخر، استمرت أبحاث الجاذبية الصغرى في معالجة المواد في عام 1983 باستخدام معدات المعمل الفضائي. نقلت هذه الوحدة إلى المدار 26 مرة على متن مكوك الفضاء كما في 2002. في هذا الدور، كان المكوك بمثابة منصة بحث مؤقتة قصيرة المدة قبل الانتهاء من محطة الفضاء الدولية.

علاوةً على ذلك، كانت مهمة سكاي لاب المنطلقة في مايو عام 1973 بمثابة معمل لأداء تجارب تصنيع فضائي متنوعة. امتلأت المحطة بمعدات معالجة المواد منها فرن كهربائي متعدد الأغراض وغرفة نمو البلورات وقاذف الشعاع الإلكتروني. من التجارب التي كان عليهم أداؤها البحث في عملية إذابة المعادن لتصوير سلوك المواد المشتعلة في ظل انعدام الجاذبية والنمو البلوري ومعالجة السبائك غير القابلة للامتزاج ولحام أنابيب الفولاذ التي لا تصدأ واللحام بالشعاع الإلكتروني وصنع الكرات من المعدن المنصهر. قضى طاقم العمل ما مجموعه 32 ساعة على علم المواد والبحث في التصنيع الفضائي خلال المهمة.

علاوةً على ذلك، في فبراير 1994 وسبتمبر 1995، حُملت معدات الويك شيلد إلى المدار بواسطة مكوك الفضاء. تستعمل منصة العرض التوضيحية هذه الفراغ المتكون في أعقاب المدار لتصنيع أغشية رقيقة من زرنيخيد الغاليوم وزرنيخيد غاليوم الألومنيوم.

البيئة

وفي السياق ذاته، تسمح البيئة قليلة الجاذبية بالتحكم في تيارات الحمل في السوائل أو الغازات، والتحكم في إنهاء الترسيب. يصير الانتشار الوسيلة الأولية لمزج المواد، ما يسمح بخلط المواد غير القابلة للامتزاج فيما بينها. تتيح البيئة نموًا أفضل لبلورات أكبر ذات جودة أعلى في المحلول.

علاوةً على ذلك، هناك عدة اختلافات مميزة بين خصائص المواد في الفضاء مقارنةً بنفس المواد على الأرض. يمكن استغلال هذه الفروقات لإنتاج تقنيات تصنيعية مميزة أو محسنة.

وفي هذا السياق، يجعل التوتر السطحي السوائل تكون كرات مستديرة تمامًا في الجاذبية الصغرى. يمكن أن يؤدي هذا إلى حدوث مشاكل عند ضخ السوائل خلال الأنابيب لكنه مفيد جدًا عندما نحتاج تكوين كرات تامة الاستدارة بأحجام متسقة.

وفي هذا الصدد، يمكن للفضاء أن يوفر درجات متطرفة من الحرارة والبرودة. يمكن تجميع أشعة الشمس لتركيز ما يكفي من الحرارة لصهر المواد، بينما تتعرض الأشياء المتروكة في ظلام دائم إلى درجات حرارة تقترب من الصفر المطلق. يمكن استغلال التدرج الحراري لإنتاج مواد زجاجية قوية.

من جانب آخر، يسمح الفراغ شديد النظافة الموجود في الفضاء بتكوين مواد وأشياء نقية للغاية. يمكن استخدام ترسيب البخار في بناء مواد خالية من العيوب طبقة بطبقة.

محطة الفضاء الدولية

وفي هذا الصدد، يعتبر الرافع الكهرومغناطيسي لمختبر علوم المواد على متن معمل كولومبس مرفقا علميا يمكن استخدامه لدراسة خواص انصهار وتماسك مواد متنوعة. يستعمل مختبر علم السوائل لدراسة سلوك السوائل في الجاذبية الصغرى. محطة الفضاء الدولية مزودة كذلك بطابعة ثلاثية الأبعاد وتتيح لطاقم العمل في محطة الفضاء الدولية أن يصنعوا بعض الأجزاء على متن المحطة وبالتالي تكون تكلفة الإطلاقات أقل ما يمكن.

من جهة ثانية، أدى الانتهاء من محطة الفضاء الدولية إلى تقديم مرافق موسعة محسنة لأداء الأبحاث الصناعية. أدى هذا إلى تحسين معارفنا عن علوم المواد، فضلًا عن آليات تصنيع جديدة على الأرض وربما بعض الاكتشافات الهامة في آليات التصنيع الفضائي. ستختبر وكالة ناسا وتيثيرز أنليميتد على متن محطة الفضاء الدولية جهاز إعادة الصقل، الذي يراد استخدامه لإعادة تدوير البلاستيك لاستخدامه في التصنيع الفضائي.

معالجة المواد

من جانب آخر، يجب تلبية متطلبات معينة للمواد بالنسبة لأغلب التطبيقات التصنيعية. يجب تكرير خامات المعادن لاستخراج معادن محددة وسيجب تنقية المواد العضوية المتطايرة. في الوضع المثالي، توصل هذه المواد الخام لموقع المعالجة بوسيلة اقتصادية إذ يصبح وقت الوصول ونفقات طاقة الدفع وتكاليف الاستخراج عوامل في عملية التخطيط. يمكن الحصول على المعادن من الكويكبات أو من سطح القمر أو من جسم كوكبي. يمكن أن نحصل على المواد المتطايرة من المذنبات أو من الكوندريت الكربوني أو الكويكبات من النوع س أو أقمار المريخ أو أقمار كواكب أخرى. ربما يثبت كذلك إمكانية استخراج الهيدروجين في صورة الثلج أو معادن رطبة من مصائد باردة على قطبي القمر.

في هذا الإطار، ما لم تتم معالجة المواد ومواقع التصنيع في نفس مواقع استخراج الموارد، فسيجب نقل المواد الخام حول النظام الشمسي. هناك عدة وسائل مقترحة لتقديم القوة الدافعة لهذه المواد بما فيها الشراعات الشمسية والشراعات الكهربية والشراعات المغناطيسية والمحركات الأيونية الكهربية أو المسترجمات (تستعمل الوسيلة الأخيرة سلسلة من المغناطيسات الكهربائية المثبتة في خط لتسريع المواد الموصلة).

من جانب آخر، من المصادر الأخرى المحتملة للمواد الخام، على الأقل على مدى قصير، هو الأقمار الصناعية الدوارة المعاد تدويرها وأشياء أخرى في الفضاء من صنع الإنسان.