Robienie rzeczy w kosmosie: produkcja poza ziemią dopiero się zaczyna

kryształy białka i wirusa

Kryształy białek i wirusów, z których wiele wyhodowano na amerykańskim promie kosmicznym lub rosyjskiej stacji kosmicznej Mir. Kryształy mają wielkość od kilkuset mikronów wzdłuż krawędzi do ponad milimetra. Kryształy wyhodowane w środowiskach mikrograwitacyjnych mogą być większe i czystsze niż kryształy na Ziemi, co ułatwia naukowcom analizę ich podstawowych składników. (Źródło zdjęcia: Alex McPherson, University of California, Irvine)



Kosmos to niebezpieczne miejsce dla ludzi: mikrograwitacja wprawia nasze płyny w wędrówkę i osłabia mięśnie, promieniowanie rozrywa DNA, a surowa próżnia na zewnątrz jest wszechobecnym zagrożeniem.

Ale w przypadku materiałów, które wykazują niesamowitą wytrzymałość, przekazują informacje z niewielkimi stratami, tworzą ogromne kryształy, a nawet rosną w narządy, surowość przestrzeni może być idealną strefą konstrukcyjną.





Wraz ze spadkiem kosztów lotów kosmicznych, więcej z tych materiałów może stać się opłacalne do wykonania lub badania w kosmosie. A wkrótce coraz więcej ludzi może nosić ze sobą obiekty zbudowane poza planetą. [ 10 najdziwniejszych rzeczy w kosmosie ]

„Na ogół tworzymy rzeczy, poddając je innym środowisku” – powiedział Andrew Rush, prezes i dyrektor generalny Made In Space, firmy zajmującej się produkcją kosmiczną. „Produkujemy żywność, gotując ją w ogniu, podgrzewając i wywołując reakcje chemiczne. Stal wytwarzamy przez podgrzewanie przedmiotów w wysokiej temperaturze i być może, w zależności od stali, w środowisku o wysokim ciśnieniu. Możemy ugasić rzeczy; możemy zrobić rzeczy zimne, aby zrobić różne materiały lub ulepszyć te materiały.



„Naprawdę, materiały kosmiczne to tylko kolejna wersja tego, ale zamiast wrzucać coś do pieca i podgrzewać do 1000 stopni Fahrenheita [540 stopni Celsjusza] czy coś takiego, zabieramy to w kosmos” – powiedział Space.com.

W kosmosie mikrograwitacja pozwala materiałom rosnąć bez napotykania ścian, a także umożliwia równomierne mieszanie i trzymanie się razem bez tradycyjnych podpór. A pobliska ultrawysoka próżnia pomaga tworzyć rzeczy bez zanieczyszczeń.



Włókna ZBLAN przetwarzane na ziemi mają na zewnątrz strukturę przypominającą korę drzewa, natomiast ZBLAN made in space

Włókna ZBLAN przetwarzane na gruncie mają na zewnątrz strukturę przypominającą korę drzewa, natomiast ZBLAN wykonany w kosmosie nie wykazuje krystalizacji.(Źródło zdjęcia: NASA)

Swobodny spadek

Międzynarodowa Stacja Kosmiczna spada wokół Ziemi w stałym tempie, co wszyscy na pokładzie odczuwają jako brak grawitacji; na stacji zawsze spadasz swobodnie. To środowisko, zwane mikrograwitacją, przydaje się do uprawy roślin, które muszą się równomiernie rozrastać w każdym kierunku lub uniknąć zanieczyszczenia spowodowanego dotykaniem ścian obudowy.

Mikrograwitacja jest szczególnie interesująca dla osób, które tworzą materiały dla zminiaturyzowanych urządzeń i komputerów, powiedzieli naukowcy Space.com.

„Zapotrzebowanie na zaawansowane technologicznie rozwiązania wymagające wyższych rozdzielczości, szybszych procesorów, większej przepustowości, większej precyzji, nowatorskich materiałów, unikalnych stopów, innowacyjnych procesów, wyższej efektywności energetycznej, większej liczby procesów w mniejszej objętości i ogólnie bardziej wyrafinowanych narzędzi popycha materiały i procesy za produkcję do tego stopnia, że ​​defekty w materii na poziomie atomowym i molekularnym - powiedziała Lynn Harper, kierownik badań integracyjnych w biurze partnerskim Space Portal w NASA Ames Research Center w Kalifornii.

Budowanie w mikrograwitacji może zmniejszyć te defekty. Dobrym przykładem jest pierwszy główny kandydat do zarabiania pieniędzy na czymś produkowanym w kosmosie, specjalny rodzaj kabla światłowodowego o nazwie ZBLAN: wyprodukowany w warunkach mikrograwitacji, w cienkim kablu jest mniej prawdopodobne, że rozwinie się małe kryształki, które zwiększają utratę sygnału. Zbudowany bez tych wad, kabel może być o rząd wielkości lepszy do przesyłania światła na duże odległości, na przykład w przypadku telekomunikacji, laserów i szybkiego Internetu.

Włókno jest wystarczająco lekkie – i może wymagać wystarczająco wysokiej ceny – że wysłanie materiałów do jego produkcji w kosmos może być opłacalne komercyjnie. Made In Space wysłało w grudniu na stację kosmiczną maszynę wielkości kuchenki mikrofalowej, aby przetestować wykonanie kabla o długości co najmniej 100 metrów, oraz inna firma opracowuje również ładunek testowy stacji kosmicznej. (Naukowcy wspomnieli również o jednej trzeciej z technologią w drodze.)

„Jednym z wyzwań związanych z zarabianiem pieniędzy na produkcji kosmicznej jest to, że wypuszczanie rzeczy w kosmos wciąż jest dość drogie” – powiedział Space.com Alex MacDonald, starszy doradca ekonomiczny w biurze administratora NASA. – Nadal masz do czynienia z tysiącami dolarów za kilogram. Tak więc wszystko, co zamierzasz wytwarzać w kosmosie, co zamierzasz wysłać na Ziemię, musi być niezwykle cenne, ale także dostępne w przeliczeniu na jednostkę masy”.

„Powodem, dla którego to robią, jest ogromna wypłata, która wyniosłaby miliardy dolarów, gdyby rzeczywiście można było wyciągnąć włókno co najmniej o rząd wielkości lepiej niż krzemionka” – Dennis Tucker, materiałoznawca z NASA Marshall Space Flight Center. w Alabamie, który od dziesięcioleci bada szkło ZBLAN, powiedział Space.com. „Jeśli uda nam się to zrobić, istnieje wiele potencjalnych zastosowań. Wzmacniacze światłowodowe, lasery do cięcia, wiercenia i chirurgii… obrazowanie w podczerwieni, zdalna IR”.

„Chciałbym po prostu, aby przekształciło się to w pierwszy prawdziwy przemysł kosmiczny” – dodał.

Ponieważ koszty wysyłania rzeczy w kosmos wciąż spadają, eksperymentatorzy mogą wyobrazić sobie szereg innych scenariuszy, w których środowisko stacji kosmicznej może być kluczowe dla produkcji.

Na przykład substancję zwaną azotkiem galu, używaną do produkcji diod LED, trudno jest jednorazowo zestalić w dużych ilościach, ponieważ jej dwie cząsteczki składowe nie zawsze łączą się idealnie w odpowiedniej kolejności, co prowadzi do defektów. Według Randy'ego Gilesa, kierownika naukowego, zmniejszenie ruchu stopionego płynu w miarę wzrostu gorętszego i mniej gęstego płynu, co ma miejsce z powodu grawitacji, może zmniejszyć te defekty – podobnie jak zapobieganie dotykaniu przez wysoce reaktywną substancję boków pojemnika. Centrum Postępu Nauki w Kosmosie. Pewnego dnia takie substancje mogą skorzystać na tworzeniu w kosmosie.

Giles powiedział, że Electrostatic Levitation Furnace, urządzenie, które Japan Aerospace Exploration Agency obsługuje na stacji kosmicznej, jest przykładem tego rodzaju konfiguracji, która może całkowicie uniknąć kontenera. Piec może stopić i zestalić materiały, lewitując je w miejscu za pomocą elektrod.

Eksperymenty przeprowadzone przed laty na wycofanych już orbiterach wahadłowców kosmicznych NASA również dostarczyły powodów do optymizmu. Naukowcy wyciągnęli za prom ze stali nierdzewnej dysk o nazwie Wake Shield Facility, tworząc próżnię, która jest 1000 do 10 000 razy pusta niż jest to możliwe na Ziemi. Eksperymentatorzy wykorzystali tę czystszą próżnię kosmosu do tworzenia cieńszych, czystszych próbek materiałów, takich jak półprzewodniki. (Duża część elementów półprzewodnikowych wykonanych na ziemi zostaje odrzucona z powodu zanieczyszczeń przerywających macierz atomów).

Jak ujął to Rush: „Jeśli masz kłaczki w chipie komputera, to nie będzie działać zbyt dobrze”.

Stabilne miejsce

Mikrograwitacja oferuje obiecujące środowisko dla produkcji, ponieważ jest wolna od mieszania konwekcji, która zatapia cięższy materiał w roztworze. W mikrograwitacji kryształy mogą rosnąć; w jednym eksperymencie, kryształy z białek wzrosła do średnio 6 milimetrów sześciennych, w porównaniu z 0,5 milimetrów sześciennych tutaj na Ziemi. Po wyrośnięciu kryształy te można analizować w celu określenia trójwymiarowych struktur białek, co może pomóc w opracowywaniu nowych strategii odkrywania leków.

Hodowanie innych kryształów, takich jak te używane do produkcji leków lub te, które mogą wykrywanie promieni gamma i neutronów , w przestrzeni, dzięki czemu są większe i czystsze, dzięki czemu uzyskany materiał będzie wyższej jakości.

To samo dotyczy metali. Podczas gdy metale wykonane z jednego elementu, takiego jak żelazo, mogą być przydatne, mogą zyskać siłę, elastyczność lub inne specjalne cechy, gdy zawierać inne elementy . Na przykład integracja węgla i niewielkich ilości innych metali z żelazem tworzy znacznie mocniejszą i twardszą stal. Metale będące kombinacją pierwiastków nazywane są stopami, a niektóre mogą powstawać tylko w środowisku o niskiej grawitacji.

„Ponieważ nie ma stratyfikacji w wyniku różnic w gęstości — ciężkie materiały nie opadają na dno, a lekkie [nie] sięgają do góry — można tworzyć stopy, które są jednorodną mieszanką metali lub minerały, których normalnie nie dałoby się wyprodukować na ziemi w tak dużych rozmiarach” – powiedział Harper. „I w rzeczywistości możesz mieć kilka unikalnych, które nie wytworzyłyby stopu w żadnych warunkach na ziemi”.

Okulary metalowe nie!

Metalowe szkła nie kruszą się w ekstremalnie niskich temperaturach, więc mogą być dobrym materiałem na przekładnie robotów pracujących na lodowych planetach lub w kosmosie.(Źródło zdjęcia: NASA/JPL-Caltech)

Ponieważ materiały w mikrograwitacji nie krystalizują się tak szybko — jak np. kabel ZBLAN — można nawet substancje takie jak metal w amorficzne, szkliste formy. Te szkła metaliczne można formować w niższych temperaturach niż zwykłe metale, a ich nieskrystalizowana struktura czyni je wyjątkowo wytrzymałymi i odpornymi na korozję. (Metaliczne szkło zwane Płynny metal — opracowany przez NASA Jet Propulsion Laboratory, Departament Energii Stanów Zjednoczonych i Kalifornijski Instytut Technologii — miesza trzy lub więcej metali, aby uzyskać dwukrotnie większą wytrzymałość niż tytan). Podczas gdy niektóre stopy metali i szkła można wytwarzać na Ziemi, inne można opracować — przynajmniej w dużych ilościach — tylko w objęciach mikrograwitacji.

Takie stopy i szkła metaliczne może kiedyś powstać? Eksperci twierdzą, że mocne, łatwe do formowania osłony od śmieci, panele, lustra i inne elementy, a także przyczyniają się do produkcji na Ziemi.

Kosmos zapewnia tę dziwną, obosieczną strefę konstrukcyjną: pozwala naukowcom testować materiały, aby zobaczyć, jak wytrzymują surowe środowisko z silnym promieniowaniem i ekstremalnymi zmianami temperatury, ale zapewnia również szczególnie spokojne miejsce pod względem grawitacji w porównaniu z Ziemią.

„Przestrzeń, jaką znamy, koncentruje się na byciu zasobem; zapewnia nam łączność GPS i obserwacje Ziemi, cenny towar, który powraca w postaci cyfrowej: dane” – powiedział Giles Space.com. „Podczas gdy eksperymenty z materiałami przeprowadzane w środowisku mikrograwitacyjnym [przynoszą] dane, które pozwalają i informują ludzi o zachowaniach i właściwościach materiałów, co może być ważne w zastosowaniach kosmicznych, jest to również coś w rodzaju silnego wstrząsu i - test wypalania, który można wykonać na materiałach, które będą miały zastosowanie w Ziemi.

'Ponadto, usuwając konwekcję, wyporność i sedymentację, materiały, które przynosisz, mogą być jak twój złoty standard, z którym porównujesz i określasz, jak wykonalne jest uzyskanie określonej pożądanej właściwości' - dodał.

Wzrost narządów

Ludzie nie radzą sobie dobrze w kosmosie w czasie, ale może to być idealne miejsce do wyhodowania ich części – to znaczy organów. Komórki mogą rosnąć w większe sieci bez grawitacji wciągającej je do pojemnika, jak to miałoby miejsce na Ziemi.

„Pomysł, w jaki sposób mikrograwitacja może pomóc komórkom rosnąć, istnieje od dawna; w rzeczywistości jedno z dominujących narzędzi, z których obecnie korzystają medyczne badania farmaceutyczne, obracające się naczynie ścienne, zostało faktycznie opracowane w ramach wysiłków promu kosmicznego w latach 80. w NASA – powiedział MacDonald.

Naczynie to zostało opracowane, aby symulować aspekt mikrograwitacji na Ziemi poprzez ciągłe obracanie się z odpowiednią prędkością, aby przeciwdziałać powolnej sedymentacji substancji w roztworze odżywczym.

„Komórki nie są inteligentne, ale można je przystosować” – powiedział Harper. 'A jeśli dotkną boku lub powierzchni, otrzymają wiadomość, która jest biologicznie myląca.'

Komórki nowotworowe rosnące na kulkach mikronośnika w bioreaktorze NASA na Ziemi były w stanie rosnąć w trzech wymiarach w ciągu 56 dni dzięki ich pojemnikowi

Komórki nowotworowe rosnące na kulkach mikronośnika w bioreaktorze NASA na Ziemi były w stanie rosnąć w trzech wymiarach w ciągu 56 dni dzięki obracającym się ściankom pojemnika. Podobną korzyść daje hodowla komórek w kosmosie.(Źródło zdjęcia: Jearne Becker/Uniwersytet Południowej Florydy)

Ale im większa jest próbka, tym więcej energii trzeba wydać, aby jej komórki nie uderzyły o dno – perturbacja, która może rozbić rozrastające się kolonie. Podczas swobodnego spadania w przestrzeni takie komórki mogą tworzyć znacznie większe tkanki. Niektóre obecne prace nad hodowlą tkanek w kosmosie skupiają się na upewnieniu się, że zaprojektowane tkanki mają odpowiedni dopływ krwi; w przeciwnym razie umrą od środka. NASA jest obecnie gospodarzem wyzwania dotyczącego tkanek naczyniowych, które oferuje zespołom naukowców 500 000 dolarów w nagrodach za hodowlę unaczynionych tkanek serca, płuc, nerek, wątroby i mięśni o grubości ponad 0,4 cala (1 centymetr), w których większość tkanki może przetrwać przez 30 dni — wyczyn obecnie niemożliwy na Ziemi. (Możesz przeczytać więcej szczegółów na temat wyzwania tutaj .)

Chociaż jest to z pewnością bardziej spekulacyjne, jest to w rzeczywistości kolejny prawdopodobny powód, dla którego prywatne firmy wchodzą do przemysłu kosmicznego, powiedział MacDonald.

„Oczywiście narządy mają niezwykle wysoką wartość, zarówno pod względem zdolności do ratowania życia, jak i kosztów pod względem ekonomii medycznej” – powiedział MacDonald. — Zacząłeś widzieć, jak firmy zaczynają eksperymentować — na razie nie na stacji kosmicznej, ale na lotach parabolicznych.

Trudno sobie wyobrazić rutynowe hodowanie organów w kosmosie, ale jest to jedna z wielu możliwości zarabiania pieniędzy, ponieważ umieszczanie rzeczy na orbicie staje się tańsze.

„Wiemy, że nie znamy wszystkich zastosowań środowiska kosmicznego do opracowywania produktów, obróbki materiałów, wykańczania produktów” – powiedział Rush. „I nie zbadaliśmy tego; tam nie zbadaliśmy głębin możliwości ze względu na brak dostępu i wysokie koszty. Ale teraz skręcamy w tym kierunku. Myślę, że to bardzo, bardzo ekscytujący czas, aby naprawdę to odkrywać”.

Firma Alpha Space wysłała niedawno platformę MISSE-FF na Międzynarodową Stację Kosmiczną w celu przetestowania różnych materiałów

Firma Alpha Space wysłała niedawno platformę MISSE-FF na Międzynarodową Stację Kosmiczną, aby przetestować wytrzymałość różnych materiałów w obliczu surowości przestrzeni kosmicznej.(Źródło zdjęcia: Alpha Space)

Budynek dla przestrzeni

Innym źródłem ekscytacji dla produkcji w kosmosie jest budowanie rzeczy dla kosmosu, które nigdy nie będą ograniczone przez przyciąganie ziemskiej grawitacji – lub miażdżące pchnięcie rakiety.

Międzynarodowa Stacja Kosmiczna już posiada drukarki 3D, które Made In Space wykorzystało do produkcji narzędzi bezpośrednio na stacji kosmicznej. Ale wizja firmy jest znacznie wspanialsza: konstrukcje wielkoskalowe, takie jak teleskopy kosmiczne lub panele słoneczne, można by drukować w kosmosie, zamiast składać w celu wystrzelenia na orbitę. A odwiedzający inne światy mogą pewnego dnia skorzystać z dostępnych lokalnie zasobów do drukowania schronów i innych elementów, podróżując tylko z cyfrowymi planami.

Budowanie w kosmosie będzie wymagało solidnego zrozumienia, w jaki sposób materiały reagują w kosmosie i jak pozyskiwać surowce, a także przemyślenia tego, co można wykorzystać w drukarce 3D lub jako podstawę dla materiałów kosmicznych, powiedzieli naukowcy Space.com .

„Dla mnie ekscytującą częścią jest patrzenie na wszystko wokół mnie jako na potencjalny surowiec do produkcji nowych rzeczy, a ta zmiana sposobu myślenia i zmiana paradygmatu mają ogromne implikacje” – powiedział Space.com Niki Werkheiser, kierownik produkcji w kosmosie NASA. „Niezależnie od tego, czy będą to zasoby in situ, nasze jedzenie, pianka, plastikowe torby, cokolwiek jest wokół nas, spojrzę na to, jak mogę ponownie wykorzystać lub poddać recyklingowi? I wymaga to połączenia i zrozumienia nie tylko możliwości maszyny, ale także właściwości i właściwości materiałów, aby stworzyć to, co musisz zrobić”.

Ale niezależnie od tego, czy badania materiałów opartych na mikrograwitacji zajmują się budownictwem dla Ziemi, czy dla kosmosu, ten obszar badań tworzy dziwne i wspaniałe rzeczy, których nigdy nie widziano na ziemi w takich ilościach lub o takiej jakości.

„Teraz istnieje tak duży potencjał do robienia rzeczy w tej dziedzinie, że nie byliśmy w stanie zrobić wcześniej, a teraz nie chodzi tylko o marzenia i pomysły — to się dzieje” – powiedział MacDonald. „Są na orbicie obiekty, z których możesz korzystać i możesz pomyśleć o ich ulepszeniu, możesz też pomyśleć o rozwoju własnych obiektów. To trochę jak małe satelity 10 lat temu. Ludzie mogli zobaczyć, że to było bardzo ekscytujące i zaczęliśmy eksperymentować, ale myślę, że naprawdę ekscytujące rzeczy dopiero nadejdą”.

Napisz do Sarah Lewin na slewin@space.com lub śledź ją @SarahExplains . Podążaj za nami @Spacedotcom , Facebook oraz Google+ . Oryginalny artykuł na Space.com .