La fabricación espacial o fabricación en el espacio ( ISM para abreviar) es la fabricación, ensamblaje o integración de bienes tangibles más allá de la atmósfera de la Tierra (o más generalmente, fuera de una atmósfera planetaria), que implica la transformación de materias primas o recicladas en componentes, productos o infraestructura en el espacio, donde el proceso de fabricación es ejecutado por humanos o sistemas automatizados aprovechando las características únicas del espacio. [3] Los sinónimos de fabricación espacial/en el espacio son fabricación en órbita (ya que la mayoría de las capacidades de producción están limitadas a la órbita terrestre baja ), fabricación fuera de la Tierra , fabricación basada en el espacio , fabricación orbital , fabricación in situ , fabricación en el espacio , producción en el espacio , etc. [3]
Los tres dominios principales de la fabricación en el espacio son ISM para el espacio (espacio para espacio), donde los productos permanecen en el espacio; ISM para la Tierra (espacio para Tierra), donde los bienes con propiedades mejoradas producidos en la microgravedad del espacio exterior se transportan de regreso a la Tierra; e ISM para la superficie, donde los bienes se producen o se envían a superficies de cuerpos celestes como la Luna, Marte y asteroides. [3]
La fabricación en el espacio utiliza procesos como la fabricación aditiva (imprimir un objeto 3D en capas sucesivas), la fabricación sustractiva (fabricar objetos 3D quitando sucesivamente material de un sólido), la fabricación híbrida (normalmente combinando la fabricación aditiva y la fabricación sustractiva) y la soldadura (unir piezas de material fundiéndolas o plastificándolas a lo largo de una línea de unión). [4]
La fabricación en el espacio elimina las limitaciones de diseño de las naves espaciales debidas a los parámetros de lanzamiento (masa, vibración, carga estructural, etc.) y las limitaciones de volumen impuestas por el tamaño de la carga útil. Permite el reciclaje de los materiales lanzados, la utilización de recursos extraídos del espacio y la producción de piezas de repuesto a pedido, lo que permite la reparación in situ de piezas críticas (lo que aumenta la fiabilidad y la redundancia) y el desarrollo de infraestructura. Aprovecha las características espaciales únicas, como la microgravedad, el ultravacío y el procesamiento sin contenedores, que son difíciles de realizar en la Tierra. [3] [4]
La fabricación en el espacio es parte de la actividad más amplia de mantenimiento, ensamblaje y fabricación en el espacio (ISAM) y está relacionada con la utilización de recursos in situ (ISRU). [3]
La fabricación en el espacio (ISM) se puede clasificar en tres áreas diferentes según el uso final de los productos fabricados. [3] La fabricación en el espacio para el espacio (espacio para el espacio) implica actividades centradas en la construcción en órbita destinada a su uso en el espacio. La ISM para la Tierra (espacio para la Tierra) es la producción de nuevos materiales y productos que presentan propiedades mejoradas cuando se fabrican en microgravedad y luego se transportan de vuelta a la Tierra. Por último, la ISM para la superficie se extiende a las operaciones de superficie en cuerpos celestes como la Luna, Marte y asteroides.
Existen varios factores que motivan la fabricación en el espacio. El entorno espacial, en particular los efectos de la microgravedad y el vacío , permiten la investigación y producción de bienes que de otro modo no podrían fabricarse en la Tierra. En segundo lugar, la extracción y el procesamiento de materias primas de otros cuerpos astronómicos , también llamada Utilización de recursos in situ (ISRU) , podría permitir misiones de exploración espacial más sostenibles a un coste reducido en comparación con el lanzamiento de todos los recursos necesarios desde la Tierra. Además, las materias primas podrían transportarse a la órbita terrestre baja, donde podrían procesarse para obtener bienes que se envían a la Tierra. Al reemplazar la producción terrestre en la Tierra, esto busca preservar la Tierra. Además, las materias primas de muy alto valor, por ejemplo, el oro, la plata o el platino, podrían transportarse a la órbita terrestre baja para su procesamiento o transferencia a la Tierra, lo que se cree que tiene el potencial de volverse económicamente viable. La fabricación en el espacio apoya las misiones espaciales de larga duración y la colonización al permitir la reparación in situ y el desarrollo de infraestructura más allá de la Tierra. Además, en el área de la tecnología de vuelos espaciales, la fabricación espacial mejora la seguridad de la misión al descentralizar las actividades de fabricación y establecer redundancia en sistemas críticos, permite una producción personalizada adaptada a los requisitos específicos de la misión, fomentando la rápida iteración y adaptación de los diseños, impulsa la innovación tecnológica en la ciencia de los materiales, la robótica y la fabricación aditiva, con aplicaciones que se extienden más allá de la exploración espacial, y sienta las bases para el desarrollo de infraestructura basada en el espacio, respaldando una amplia gama de actividades comerciales e investigación científica.
Durante la misión Soyuz 6 de 1969, los cosmonautas rusos realizaron los primeros experimentos de soldadura en el espacio. Se probaron tres procesos de soldadura diferentes utilizando una unidad de hardware llamada Vulkan. Las pruebas incluyeron la soldadura de aluminio , titanio y acero inoxidable .
La misión Skylab , lanzada en mayo de 1973, sirvió como laboratorio para realizar diversos experimentos de fabricación espacial. La estación estaba equipada con una instalación de procesamiento de materiales que incluía un horno eléctrico multiusos , una cámara de crecimiento de cristales y un cañón de haz de electrones . Entre los experimentos que se iban a realizar se encontraban investigaciones sobre el procesamiento de metales fundidos; la fotografía del comportamiento de materiales encendidos en gravedad cero; el crecimiento de cristales; el procesamiento de aleaciones inmiscibles ; la soldadura fuerte de tubos de acero inoxidable , la soldadura por haz de electrones y la formación de esferas a partir de metal fundido . La tripulación dedicó un total de 32 horas-hombre a la investigación de la ciencia de los materiales y la fabricación espacial durante la misión.
El Instituto de Estudios Espaciales comenzó a organizar una Conferencia de Fabricación Espacial bianual en 1977 [ cita requerida ] .
La investigación en microgravedad para el procesamiento de materiales continuó en 1983 utilizando las instalaciones del Spacelab . Este módulo ha sido llevado a órbita 26 veces a bordo del transbordador espacial , hasta 2002. [actualizar]En esta función, el transbordador sirvió como plataforma de investigación provisional de corta duración antes de la finalización de la Estación Espacial Internacional .
En febrero de 1994 y septiembre de 1995, el transbordador espacial puso en órbita la instalación Wake Shield . Esta plataforma de demostración utilizó el vacío creado en la estela orbital para fabricar películas delgadas de arseniuro de galio y arseniuro de galio y aluminio .
El 31 de mayo de 2005 se puso en órbita el laboratorio recuperable y no tripulado Foton-M2 . Entre los experimentos se encontraban el crecimiento de cristales y el comportamiento del metal fundido en condiciones de ingravidez.
La finalización de la Estación Espacial Internacional ha proporcionado instalaciones ampliadas y mejoradas para realizar investigaciones industriales. Estas han dado lugar, y seguirán dando lugar, a mejoras en nuestro conocimiento de las ciencias de los materiales, nuevas técnicas de fabricación en la Tierra y, potencialmente, algunos descubrimientos importantes en los métodos de fabricación espacial. La NASA y Tethers Unlimited probarán el Refabricator a bordo de la ISS, que está destinado a reciclar plástico para su uso en la fabricación aditiva espacial. [5]
El Levitador Electromagnético del Laboratorio de Ciencia de Materiales (MSL-EML) a bordo del Laboratorio Columbus es una instalación científica que se puede utilizar para estudiar las propiedades de fusión y solidificación de diversos materiales. El Laboratorio de Ciencia de Fluidos (FSL) se utiliza para estudiar el comportamiento de los líquidos en microgravedad. [6]
Existen varias diferencias únicas entre las propiedades de los materiales en el espacio y los mismos materiales en la Tierra. Estas diferencias se pueden aprovechar para producir técnicas de fabricación únicas o mejoradas.
Para la mayoría de las aplicaciones de fabricación, se deben satisfacer requisitos específicos de materiales. Los minerales deben refinarse para extraer metales específicos y los compuestos orgánicos volátiles deberán purificarse. Lo ideal es que estas materias primas se entreguen al sitio de procesamiento de una manera económica, donde el tiempo de llegada, el gasto de energía de propulsión y los costos de extracción se tengan en cuenta en el proceso de planificación . Los minerales se pueden obtener de asteroides , la superficie lunar o un cuerpo planetario. Los volátiles podrían obtenerse potencialmente de un cometa , condrita carbonácea o asteroides "tipo C", o las lunas de Marte u otros planetas. También puede resultar posible extraer hidrógeno en forma de hielo de agua o minerales hidratados de trampas frías en los polos de la Luna .
A menos que los sitios de procesamiento de materiales y de fabricación estén ubicados en el mismo lugar que las instalaciones de extracción de recursos, las materias primas necesitarían ser trasladadas por todo el Sistema Solar . Existen varios medios propuestos para proporcionar propulsión para este material, incluyendo velas solares , velas eléctricas , velas magnéticas , propulsores de iones eléctricos , propulsores electrotérmicos de microondas o impulsores de masa (este último método utiliza una secuencia de electroimanes montados en una línea para acelerar un material conductor).
En la instalación de procesamiento de materiales, los materiales entrantes deberán ser capturados por algún medio. Los cohetes de maniobra unidos a la carga pueden estacionar el contenido en una órbita coincidente. Alternativamente, si la carga se mueve a un delta-v bajo en relación con el destino, entonces puede ser capturada por medio de un captador de masa . Este podría consistir en una red grande y flexible o una estructura inflable que transferiría el impulso de la masa a la instalación más grande. Una vez en su lugar, los materiales pueden ser trasladados al lugar por medios mecánicos o por medio de pequeños propulsores.
Los materiales se pueden utilizar para la fabricación en su forma bruta o procesándolos para extraer los elementos constituyentes. Las técnicas de procesamiento incluyen diversos métodos químicos , térmicos , electrolíticos y magnéticos para la separación. En el corto plazo, se pueden utilizar métodos relativamente sencillos para extraer aluminio , hierro , oxígeno y silicio de fuentes lunares y asteroidales. Los elementos menos concentrados probablemente requerirán instalaciones de procesamiento más avanzadas, que pueden tener que esperar hasta que se desarrolle por completo una infraestructura de fabricación espacial. [7]
Algunos de los procesos químicos requerirán una fuente de hidrógeno para la producción de mezclas de agua y ácidos . El gas hidrógeno también se puede utilizar para extraer oxígeno del regolito lunar , aunque el proceso no es muy eficiente. [ aclaración necesaria ] [8] Por lo tanto, una fuente fácilmente disponible de volátiles útiles es un factor positivo en el desarrollo de la fabricación espacial. Alternativamente, el oxígeno se puede liberar del regolito lunar sin reutilizar ningún material importado calentando el regolito a 4.530 °F (2.500 °C) en vacío. Esto se probó en la Tierra con un simulador lunar en una cámara de vacío. Hasta el 20% de la muestra se liberó como oxígeno libre. Eric Cardiff llama al resto escoria. Este proceso es altamente eficiente en términos de materiales importados utilizados por lote, pero no es el proceso más eficiente en energía por kilogramo de oxígeno. [9]
Un método propuesto para purificar los materiales de los asteroides es mediante el uso de monóxido de carbono (CO). Calentar el material a 260 °C (500 °F) y exponerlo al CO hace que los metales formen carbonilos gaseosos . Este vapor puede luego destilarse para separar los componentes metálicos , y el CO puede recuperarse luego mediante otro ciclo de calentamiento. De este modo, una nave automatizada puede raspar los materiales sueltos de la superficie de, por ejemplo, el relativamente cercano 4660 Nereus (en términos delta-v), procesar el mineral utilizando calor solar y CO, y finalmente regresar con una carga de metal casi puro. La economía de este proceso puede permitir potencialmente que el material se extraiga a una vigésima parte del costo del lanzamiento desde la Tierra, pero se requeriría un viaje de ida y vuelta de dos años para regresar con el mineral extraído. [10]
Debido a las limitaciones de la velocidad de la luz en las comunicaciones, la fabricación en el espacio en un punto distante de adquisición de recursos requerirá robots completamente autónomos para realizar el trabajo, o una tripulación humana con todos los requisitos de hábitat y seguridad que lo acompañan. Sin embargo, si la planta se construye en órbita alrededor de la Tierra o cerca de un hábitat espacial tripulado , se pueden utilizar dispositivos telerrobóticos para ciertas tareas que requieren inteligencia y flexibilidad humanas.
La energía solar proporciona una fuente de energía fácilmente disponible para el procesamiento térmico. Incluso con calor únicamente, se pueden utilizar materiales simples fusionados térmicamente para la construcción básica de estructuras estables. El suelo a granel de la Luna o de los asteroides tiene un contenido de agua muy bajo y, cuando se derrite para formar materiales vítreos, es muy duradero. Estos sólidos vítreos simples se pueden utilizar para el ensamblaje de hábitats en la superficie de la Luna o en otro lugar. La energía solar se puede concentrar en el área de fabricación utilizando una serie de espejos orientables .
La disponibilidad y las propiedades físicas favorables de los metales los convertirán en un componente importante de la fabricación espacial. La mayoría de las técnicas de manipulación de metales que se utilizan en la Tierra también se pueden adoptar para la fabricación espacial. Algunas de estas técnicas necesitarán modificaciones significativas debido al entorno de microgravedad .
La producción de acero endurecido en el espacio introducirá algunos factores nuevos. El carbono sólo aparece en pequeñas proporciones en los materiales de la superficie lunar y deberá traerse de otro lugar. Los materiales de desecho que los humanos traen de la Tierra son una posible fuente, al igual que los cometas. El agua que normalmente se utiliza para templar el acero también será escasa y requerirá una fuerte agitación.
La fundición de acero puede ser un proceso difícil en condiciones de microgravedad, que requiere procesos especiales de calentamiento e inyección, o de conformado por centrifugado. El calentamiento se puede realizar utilizando luz solar combinada con calentadores eléctricos. El proceso de fundición también debe gestionarse para evitar la formación de huecos a medida que el acero se enfría y se encoge.
Se pueden utilizar diversas técnicas de trabajo de metales para darle al metal la forma deseada. Los métodos estándar son la fundición, el trefilado , la forja , el mecanizado , el laminado y la soldadura . Tanto el laminado como el trefilado de metales requieren calentamiento y enfriamiento posterior. La forja y la extrusión pueden requerir prensas motorizadas, ya que no hay gravedad. La soldadura por haz de electrones ya se ha demostrado a bordo del Skylab y probablemente será el método elegido en el espacio. Las operaciones de mecanizado pueden requerir herramientas de precisión que deberán importarse desde la Tierra durante algún tiempo.
En lugares como el Centro Nacional de Fabricación Avanzada de Marshall se están estudiando nuevas tecnologías de fabricación espacial . Los métodos que se están investigando incluyen recubrimientos que se pueden rociar sobre superficies en el espacio utilizando una combinación de calor y energía cinética, y fabricación de piezas de forma libre mediante haz de electrones [11] . Enfoques como estos, así como el examen de las propiedades de los materiales que se pueden investigar en un laboratorio en órbita, serán estudiados en la Estación Espacial Internacional por la NASA y Made In Space, Inc. [12]
La opción de imprimir artículos en 3D en el espacio tiene muchas ventajas sobre la fabricación en la Tierra. Con las tecnologías de impresión 3D, en lugar de exportar herramientas y equipos de la Tierra al espacio, los astronautas tienen la opción de fabricar los artículos necesarios directamente. Los patrones de fabricación a pedido hacen que los viajes espaciales de larga distancia sean más factibles y autosuficientes, ya que las excursiones espaciales requieren menos carga. La seguridad de la misión también mejora.
Las impresoras 3D Made In Space, Inc. , que se lanzaron en 2014 a la Estación Espacial Internacional , están diseñadas específicamente para un entorno de gravedad cero o microgravedad. El proyecto recibió el contrato de investigación e innovación para pequeñas empresas de la fase III. [13] La NASA utilizará la instalación de fabricación aditiva para realizar reparaciones (incluso durante situaciones de emergencia), actualizaciones e instalaciones. [14] Made In Space enumera las ventajas de la impresión 3D como una fácil personalización, un desperdicio mínimo de materia prima, piezas optimizadas, un tiempo de producción más rápido, electrónica integrada, interacción humana limitada y la opción de modificar el proceso de impresión. [14]
El experimento Refabricator, que está siendo desarrollado por Firmamentum, una división de Tethers Unlimited, Inc., en virtud de un contrato de investigación de innovación para pequeñas empresas de la fase III de la NASA, combina un sistema de reciclaje y una impresora 3D para realizar una demostración de fabricación en ciclo cerrado en el espacio en la Estación Espacial Internacional (ISS). [15] El experimento Refabricator, que se entregó a la ISS a bordo de Cygnus NG-10 el 19 de noviembre de 2018, [16] procesa materia prima plástica a través de múltiples ciclos de impresión y reciclaje para evaluar cuántas veces se pueden reutilizar los materiales plásticos en el entorno de microgravedad antes de que sus polímeros se degraden a niveles inaceptables. [17]
Además, la impresión 3D en el espacio también puede permitir la impresión de alimentos. El programa de Tecnología Alimentaria Avanzada de la NASA está investigando actualmente la posibilidad de imprimir alimentos para mejorar la calidad de los alimentos, el contenido de nutrientes y la variedad. [18]
Airbus está desarrollando y planificando con la Agencia Espacial Europea enviar y probar la primera impresora 3D que imprime metales en el espacio en la ISS en un año a partir de 2022, y establecer la fabricación espacial en tres o cuatro años a partir de 2022. [19]
Se cree que existe una serie de productos útiles que podrían fabricarse en el espacio y que resultarían beneficiosos desde el punto de vista económico. Se requieren investigaciones y desarrollo para determinar los mejores productos que se pueden producir y para encontrar métodos de producción eficientes. Los siguientes productos se consideran candidatos potenciales:
A medida que se desarrolle la infraestructura y disminuya el costo del ensamblaje, parte de la capacidad de fabricación se podrá destinar al desarrollo de instalaciones ampliadas en el espacio, incluidas plantas de fabricación a mayor escala. Es probable que para ello se necesite utilizar materiales lunares y de asteroides, por lo que se seguirá el desarrollo de bases mineras.
La roca es el producto más simple y, como mínimo, resulta útil para la protección contra la radiación. También se puede procesar posteriormente para extraer elementos para diversos usos.
Se cree que el agua de fuentes lunares, asteroides cercanos a la Tierra o lunas marcianas es relativamente barata y sencilla de extraer, y ofrece un rendimiento adecuado para muchos fines de fabricación y envío de materiales. La separación del agua en hidrógeno y oxígeno se puede realizar fácilmente a pequeña escala, pero algunos científicos [20] creen que esto no se realizará a gran escala inicialmente debido a la gran cantidad de equipo y energía eléctrica necesaria para dividir el agua y licuar los gases resultantes. El agua utilizada en los cohetes de vapor proporciona un impulso específico de unos 190 segundos; [ cita requerida ] menos de la mitad del hidrógeno/oxígeno, pero esto es adecuado para los delta-v que se encuentran entre Marte y la Tierra. [ cita requerida ] El agua es útil como escudo contra la radiación y en muchos procesos químicos.
La cerámica hecha a partir de suelo lunar o de asteroides se puede emplear para diversos fines de fabricación. [ cita requerida ] Estos usos incluyen diversos aislantes térmicos y eléctricos, como escudos térmicos para cargas útiles que se envían a la superficie de la Tierra.
Los metales se pueden utilizar para ensamblar una variedad de productos útiles, incluidos contenedores sellados (como tanques y tuberías), espejos para enfocar la luz solar y radiadores térmicos. El uso de metales para dispositivos eléctricos requeriría aislantes para los cables, por lo que se necesitará un material aislante flexible como plástico o fibra de vidrio.
Se espera que un producto destacado de la fabricación espacial sean los paneles solares. Se pueden construir y ensamblar en el espacio grandes conjuntos de energía solar. Como la estructura no necesita soportar las cargas que se experimentarían en la Tierra, se pueden ensamblar enormes conjuntos a partir de cantidades proporcionalmente más pequeñas de material. La energía generada se puede utilizar para alimentar instalaciones de fabricación, hábitats, naves espaciales, bases lunares e incluso transmitirse a colectores en la Tierra con microondas .
Otras posibilidades para la fabricación espacial incluyen propulsores para naves espaciales, algunas piezas de reparación para naves espaciales y hábitats espaciales y, por supuesto, fábricas más grandes. [21] En última instancia, las instalaciones de fabricación espacial pueden hipotéticamente volverse casi autosuficientes, requiriendo solo importaciones mínimas desde la Tierra. El entorno de microgravedad permite nuevas posibilidades en la construcción a gran escala, incluida la ingeniería a gran escala . Estos proyectos futuros podrían potencialmente ensamblar ascensores espaciales , enormes granjas de paneles solares, naves espaciales de muy alta capacidad y hábitats giratorios capaces de sustentar poblaciones de decenas de miles de personas en condiciones similares a las de la Tierra.
Se espera que el entorno espacial sea beneficioso para la producción de una variedad de productos, siempre que se puedan superar los obstáculos que se le presentan. El costo más significativo es superar el obstáculo energético para impulsar los materiales a la órbita. Una vez que esta barrera se reduzca significativamente en el costo por kilogramo , el precio de entrada para la fabricación espacial puede hacerla mucho más atractiva para los empresarios. Una vez que se paguen los altos costos de capitalización del ensamblaje de las instalaciones de minería y fabricación, la producción deberá ser económicamente rentable para volverse autosostenible y beneficiosa para la sociedad.
Los requisitos económicos de la fabricación espacial implican la necesidad de obtener las materias primas necesarias con un coste energético mínimo. El coste del transporte espacial está directamente relacionado con el delta-v , o cambio de velocidad necesario para desplazarse desde los yacimientos mineros hasta las plantas de fabricación. Llevar material a la órbita terrestre desde cuerpos como asteroides cercanos a la Tierra , Fobos , Deimos o la superficie lunar requiere un delta-v mucho menor que lanzarlo desde la propia Tierra, a pesar de las mayores distancias involucradas. Esto hace que estos lugares sean económicamente atractivos como fuentes de materias primas.
Investigadores de la NASA y Tethers Unlimited Inc., de Bothell, Washington, también están colaborando en la demostración de un Refabricator. El pequeño dispositivo, del tamaño de un refrigerador, está destinado a reciclar desechos plásticos, incluidos materiales de embalaje, bolsas y contenedores de alimentos, en materia prima para la fabricación aditiva espacial, o impresión 3D, de piezas de repuesto y otros equipos que de otro modo requerirían masa y volumen de lanzamiento.
