Fabricación espacial

La fabricación espacial o fabricación en el espacio ( ISM, por sus siglas en inglés) es la fabricación, el ensamblaje o la integración de bienes tangibles más allá de la atmósfera terrestre (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 ]} Sinónimos de fabricación espacial/en el espacio son fabricación en órbita (ya que la mayoría de las capacidades de producción se limitan a la órbita terrestre baja ), fabricación fuera de la Tierra , fabricación espacial , fabricación orbital , fabricación in situ , fabricación en el espacio , producción en el espacio , etc. ^{[ 3 ]} La fabricación en el espacio es parte de la actividad más amplia de servicio, ensamblaje y fabricación en el espacio ( ISAM ) y está relacionada con la utilización de recursos in situ (ISRU). ^{[ 3 ]}

Existen tres ámbitos principales de fabricación en el espacio: la fabricación espacial (ISM para el espacio), donde los productos permanecen en el espacio; la fabricación terrestre (ISM para la Tierra), donde los bienes con propiedades mejoradas producidos en la microgravedad del espacio exterior se transportan de vuelta a la Tierra; y la fabricación en la superficie (ISM para la superficie), donde los bienes se producen o se envían a la superficie de cuerpos celestes como la Luna, Marte y asteroides. ^{[ 3 ]}

La fabricación en el espacio utiliza procesos como la fabricación aditiva (impresión de un objeto 3D en capas sucesivas), la fabricación sustractiva (creación de objetos 3D mediante la eliminación sucesiva de material de un sólido), la fabricación híbrida (generalmente combinando la fabricación aditiva y la sustractiva) y la soldadura (unión de piezas de material mediante fusión o plastificación 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 materiales lanzados, la utilización de recursos extraídos en el espacio y la producción de piezas de repuesto bajo demanda, lo que posibilita la reparación in situ de componentes críticos (aumentando la fiabilidad y la redundancia) y el desarrollo de infraestructuras. Aprovecha las características únicas del espacio, 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 (FES) 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) comprende actividades centradas en la construcción en órbita destinada a su uso en el espacio. La FES para la Tierra (espacio para la Tierra) es la producción de nuevos materiales y productos que presentan propiedades mejoradas al ser fabricados en microgravedad, para luego ser transportados de vuelta a la Tierra. Por último, la FES para la superficie se extiende a las operaciones en la superficie de cuerpos celestes como la Luna, Marte y los asteroides.

Existen varios factores que impulsan 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 celestes , también conocida como utilización de recursos in situ (ISRU, por sus siglas en inglés) , podrían posibilitar 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 se procesarían para convertirlas en bienes que luego se enviarían a la Tierra. Al sustituir la producción terrestre, se busca preservar el planeta. Asimismo, las materias primas de muy alto valor, como el oro, la plata o el platino, podrían transportarse a la órbita terrestre baja para su procesamiento o posterior envío a la Tierra, lo que se considera que tiene el potencial de convertirse en una actividad económicamente viable. La fabricación en el espacio respalda las misiones espaciales de larga duración y la colonización, al permitir la reparación in situ y el desarrollo de infraestructuras más allá de la Tierra. Además, en el ámbito de la tecnología aeroespacial, la fabricación espacial mejora la seguridad de las misiones al descentralizar las actividades de fabricación y establecer redundancia en los sistemas críticos, permite una producción personalizada adaptada a los requisitos específicos de la misión, fomenta 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 infraestructuras espaciales, apoyando 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 electrones . Entre los experimentos a realizar se encontraban la investigación 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 en ciencia de materiales y fabricación espacial durante la misión.

El Instituto de Estudios Espaciales comenzó a organizar una Conferencia bienal sobre Fabricación Espacial en 1977 .

La investigación en microgravedad aplicada al procesamiento de materiales continuó en 1983 utilizando las instalaciones de Spacelab . Este módulo ha sido llevado a órbita 26 veces a bordo del transbordador espacial , hasta el año 2002.En este papel, el transbordador sirvió como plataforma de investigación provisional y de corta duración antes de la finalización de la Estación Espacial Internacional .

En febrero de 1994 y septiembre de 1995, la instalación Wake Shield Facility fue puesta en órbita por el transbordador espacial . 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, el laboratorio Foton-M2 , recuperable y no tripulado , fue puesto en órbita. Entre los experimentos realizados 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 investigación industrial. La NASA y Tethers Unlimited probarán el Refabricator a bordo de la ISS, que está diseñado para 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 singulares entre las propiedades de los materiales en el espacio y las de los mismos materiales en la Tierra. Estas diferencias pueden aprovecharse para desarrollar técnicas de fabricación únicas o mejoradas.

• El entorno de microgravedad permite controlar la convección en líquidos o gases y eliminar la sedimentación. La difusión se convierte en el principal medio de mezcla de materiales, lo que permite que materiales que de otro modo serían inmiscibles se mezclen.
• Este entorno permite un mayor crecimiento de cristales más grandes y de mayor calidad en solución.
• El vacío ultralimpio del espacio permite la creación de materiales y objetos de gran pureza. Mediante la deposición de vapor, se pueden construir materiales capa a capa, libres de defectos.
• La tensión superficial provoca que los líquidos en microgravedad formen esferas perfectamente redondas. Esto puede causar problemas al intentar bombear líquidos a través de un conducto, pero resulta muy útil cuando se necesitan esferas perfectas de tamaño uniforme para una aplicación.
• El espacio ofrece temperaturas extremas, tanto de calor como de frío, fácilmente accesibles. La luz solar puede concentrarse para generar suficiente calor como para fundir los materiales, mientras que los objetos mantenidos en sombra permanente se exponen a temperaturas cercanas al cero absoluto. Este gradiente de temperatura puede aprovecharse para producir materiales resistentes y vítreos.

Para la mayoría de las aplicaciones de fabricación, se deben cumplir requisitos específicos de materiales. Los minerales deben refinarse para extraer metales específicos , y los compuestos orgánicos volátiles deben purificarse. Idealmente, estas materias primas se transportan al sitio de procesamiento de manera económica, considerando el tiempo de llegada, el consumo de energía de propulsión y los costos de extracción en el proceso de planificación . Los minerales pueden obtenerse de asteroides , la superficie lunar o un cuerpo planetario. Los volátiles podrían obtenerse de un cometa , condritas carbonáceas o asteroides de tipo C, o de las lunas de Marte u otros planetas. También podría ser posible extraer hidrógeno en forma de hielo de agua o minerales hidratados de trampas frías en los polos de la Luna .

A menos que las plantas de procesamiento y fabricación de materiales estén ubicadas junto con las instalaciones de extracción de recursos, las materias primas tendrían que ser transportadas por el Sistema Solar . Existen varios métodos propuestos para proporcionar propulsión a este material, incluyendo velas solares , velas eléctricas , velas magnéticas , propulsores iónicos eléctricos , propulsores electrotérmicos de microondas o impulsores de masa (este último método utiliza una secuencia de electroimanes montados en línea para acelerar un material conductor).

En la planta de procesamiento de materiales, los materiales entrantes deberán ser capturados mediante algún método. Cohetes maniobrables acoplados a la carga pueden posicionar el contenido en una órbita adecuada. Alternativamente, si la carga se mueve con un delta-v bajo con respecto al destino, puede capturarse mediante un captador de masa . Este podría consistir en una red flexible de gran tamaño o una estructura inflable que transferiría el momento de la masa a la planta principal. Una vez en su lugar, los materiales pueden ser movidos mecánicamente o mediante pequeños propulsores.

Los materiales pueden utilizarse para la fabricación tanto en su estado bruto como procesándolos para extraer sus elementos constituyentes. Las técnicas de procesamiento incluyen diversos métodos químicos , térmicos , electrolíticos y magnéticos para la separación. A corto plazo, se pueden utilizar métodos relativamente sencillos para extraer aluminio , hierro , oxígeno y silicio de fuentes lunares y asteroides. Los elementos menos concentrados probablemente requerirán instalaciones de procesamiento más avanzadas, que tal vez deban esperar hasta que se desarrolle por completo la infraestructura de fabricación espacial.

Algunos procesos químicos requerirán una fuente de hidrógeno para la producción de agua y mezclas de ácidos . El hidrógeno gaseoso también puede utilizarse para extraer oxígeno del regolito lunar , aunque el proceso no es muy eficiente. ^{[ 7 ]} Por lo tanto, una fuente fácilmente disponible de volátiles útiles es un factor positivo en el desarrollo de la fabricación espacial. Alternativamente, el oxígeno puede liberarse del regolito lunar sin reutilizar ningún material importado calentando el regolito a 2500 °C (4530 °F) en vacío. Esto se probó en la Tierra con un simulante lunar en una cámara de vacío. Hasta un 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. ^{[ 8 ]}  

Un método propuesto para purificar materiales de asteroides consiste en el uso de monóxido de carbono (CO). Calentar el material a 260 °C (500 °F) y exponerlo a CO provoca la formación de carbonilos gaseosos en los metales . Este vapor puede destilarse para separar los componentes metálicos , y el CO puede recuperarse mediante otro ciclo de calentamiento. De este modo, una nave automatizada podría recoger materiales superficiales sueltos, por ejemplo, del asteroide 4660 Nereus , relativamente cercano (en términos de delta-v), procesar el mineral mediante calentamiento solar y CO, y finalmente regresar con una carga de metal casi puro. La viabilidad económica de este proceso permitiría extraer el material a una vigésima parte del coste de un lanzamiento desde la Tierra, pero requeriría un viaje de ida y vuelta de dos años para recuperar el mineral extraído. ^{[ 9 ]}  

Debido a las limitaciones de la velocidad de la luz en las comunicaciones, la fabricación en el espacio, en un punto remoto de obtención de recursos, requerirá robótica completamente autónoma para realizar el trabajo o una tripulación humana con todos los requisitos de hábitat y seguridad que ello conlleva. 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 solo calor, se pueden utilizar materiales termofusionados simples para la construcción básica de estructuras estables. El suelo lunar o de asteroides tiene un contenido de agua muy bajo y, al fundirse para formar materiales vítreos, resulta muy duradero. Estos sólidos vítreos simples se pueden utilizar para el ensamblaje de hábitats en la superficie lunar o en otros lugares. La energía solar se puede concentrar en el área de fabricación mediante una matriz de espejos orientables .

La disponibilidad y las favorables propiedades físicas de los metales los convertirán en un componente fundamental de la fabricación espacial. La mayoría de las técnicas de manipulación de metales utilizadas en la Tierra también pueden adaptarse a la fabricación espacial. Algunas de estas técnicas requerirán modificaciones significativas debido al entorno de microgravedad .

La producción de acero endurecido en el espacio introducirá algunos factores nuevos. El carbono solo se encuentra en pequeñas proporciones en los materiales de la superficie lunar y deberá obtenerse de otras fuentes. Los desechos que los humanos transportan desde la Tierra son una posible fuente, al igual que los cometas. El agua que normalmente se usa para templar el acero también será escasa y requerirá una agitación intensa.

La fundición de acero puede ser un proceso difícil en microgravedad, ya que requiere procesos especiales de calentamiento e inyección, o bien, conformado por centrifugación. El calentamiento puede realizarse mediante luz solar combinada con calentadores eléctricos. Además, es necesario controlar el proceso de fundición para evitar la formación de poros a medida que el acero se enfría y se contrae.

Se pueden utilizar diversas técnicas de metalurgia para dar forma al metal según se desee. Los métodos estándar son la fundición, el trefilado , la forja , el mecanizado , el laminado y la soldadura . Tanto el laminado como el trefilado requieren calentamiento y posterior enfriamiento. 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 preferido en el espacio. Las operaciones de mecanizado pueden requerir herramientas de precisión que deberán importarse de la Tierra durante un tiempo.

En lugares como el Centro Nacional de Fabricación Avanzada de Marshall se están estudiando nuevas tecnologías de fabricación espacial . Entre los métodos investigados se incluyen recubrimientos que se pueden pulverizar sobre superficies en el espacio mediante una combinación de calor y energía cinética, y la fabricación de piezas mediante haz de electrones ^{[ 10 ]} . La NASA y Made In Space, Inc. ^{[ 11 ]} estudiarán en la Estación Espacial Internacional enfoques como estos, así como el análisis de las propiedades de los materiales que se pueden investigar en un laboratorio orbital.

La opción de imprimir objetos en 3D en el espacio ofrece muchas ventajas sobre la fabricación en la Tierra. Gracias a las tecnologías de impresión 3D, en lugar de exportar herramientas y equipos desde la Tierra al espacio, los astronautas pueden fabricar directamente los artículos que necesitan. Los modelos de fabricación bajo demanda hacen que los viajes espaciales de larga distancia sean más viables y autosuficientes, ya que las expediciones espaciales requieren menos carga. Además, mejora la seguridad de la misión.

Las impresoras 3D de Made In Space, Inc. , lanzadas en 2014 a la Estación Espacial Internacional , están diseñadas específicamente para entornos de gravedad cero o microgravedad. El proyecto recibió el contrato de investigación e innovación para pequeñas empresas de Fase III. ^{[ 13 ]} La NASA utilizará la Instalación de Fabricación Aditiva para realizar reparaciones (incluso en situaciones de emergencia), actualizaciones e instalaciones. ^{[ 14 ]} Made In Space enumera las ventajas de la impresión 3D como fácil personalización, mínimo desperdicio de materia prima, piezas optimizadas, tiempo de producción más rápido, electrónica integrada, interacción humana limitada y opción de modificar el proceso de impresión. ^{[ 14 ]}

El experimento Refabricator, desarrollado por Firmamentum, una división de Tethers Unlimited, Inc. bajo un contrato de la NASA Fase III de Investigación de Innovación para Pequeñas Empresas, combina un sistema de reciclaje y una impresora 3D para realizar una demostración de fabricación en el espacio de ciclo cerrado en la Estación Espacial Internacional (ISS). ^{[ 15 ]} El experimento Refabricator, que fue entregado 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 aplicarse a la impresión de alimentos. El programa de Tecnología Alimentaria Avanzada de la NASA está investigando actualmente la posibilidad de imprimir alimentos para mejorar su calidad, contenido nutricional y 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 ]}

Mitsubishi Electric Research Laboratories (MERL) ha desarrollado una resina curable por UV que es estable en el entorno LEO, así como una extrusora y un posicionador para fabricar estructuras en órbita. ^{[ 20 ]}

Se cree que existen varios productos útiles que podrían fabricarse en el espacio y generar beneficios económicos. Se requiere investigación y desarrollo para determinar los mejores productos para su fabricación y encontrar métodos de producción eficientes. Los siguientes productos se consideran candidatos iniciales prometedores:

• Crecimiento de cristales de proteínas
• Obleas semiconductoras mejoradas
• Microencapsulación

A medida que se desarrolla la infraestructura y disminuye el costo de ensamblaje, parte de la capacidad de fabricación puede destinarse al desarrollo de instalaciones ampliadas en el espacio, incluyendo plantas de fabricación a mayor escala. Es probable que estas requieran el uso de materiales lunares y de asteroides, y por lo tanto, irán seguidas del desarrollo de bases mineras.

La roca es el producto más simple y, como mínimo, resulta útil para el blindaje contra la radiación. Además, puede procesarse posteriormente para extraer elementos con diversos usos.

Se cree que el agua de fuentes lunares, asteroides cercanos a la Tierra o lunas de Marte es relativamente barata y sencilla de extraer, y ofrece un rendimiento adecuado para muchos fines de fabricación y transporte de materiales. La separación del agua en hidrógeno y oxígeno se puede realizar fácilmente a pequeña escala, pero algunos científicos ^{[ 21 ]} creen que inicialmente no se realizará a gran escala debido a la gran cantidad de equipo y energía eléctrica necesarios para separar el agua y licuar los gases resultantes. El agua utilizada en cohetes de vapor proporciona un impulso específico de unos 190 segundos; menos de la mitad que el hidrógeno/oxígeno, pero esto es suficiente para los delta-v que se encuentran entre Marte y la Tierra. El agua es útil como escudo contra la radiación y en muchos procesos químicos.

Los materiales cerámicos fabricados a partir de suelo lunar o de asteroides pueden emplearse para diversos fines industriales. Entre estos usos se incluyen varios aislantes térmicos y eléctricos, como escudos térmicos para cargas útiles que se transportan a la superficie terrestre.

Los metales se pueden utilizar para fabricar diversos productos útiles, como contenedores sellados (como tanques y tuberías), espejos para concentrar la luz solar y radiadores térmicos. Para su uso en dispositivos eléctricos, se requieren aislantes para los cables, por lo que será necesario un material aislante flexible como el plástico o la fibra de vidrio.

Se prevé que uno de los productos más destacados de la fabricación espacial sean los paneles solares. En el espacio se pueden construir y ensamblar enormes conjuntos de paneles solares. Dado que la estructura no necesita soportar las cargas que experimentaría en la Tierra, se pueden ensamblar conjuntos gigantescos con cantidades de material proporcionalmente menores. La energía generada se puede utilizar para alimentar instalaciones de fabricación, hábitats, naves espaciales, bases lunares e incluso transmitirse a colectores en la Tierra mediante 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. ^{[ 22 ]} En última instancia, las instalaciones de fabricación espacial podrían hipotéticamente volverse casi autosuficientes, requiriendo solo importaciones mínimas de la Tierra. El entorno de microgravedad permite nuevas posibilidades en la construcción a gran escala, incluyendo la ingeniería a megaescala . Estos proyectos futuros podrían potencialmente ensamblar ascensores espaciales , enormes parques 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 diversos productos, siempre y cuando se superen los obstáculos existentes. El costo más significativo radica en superar la barrera energética necesaria para lanzar materiales a la órbita. Una vez que esta barrera se reduzca considerablemente en términos de costo por kilogramo , el precio de entrada para la fabricación espacial resultará mucho más atractivo para los emprendedores. Tras cubrir los elevados costos de capital para la instalación de las plantas de extracción y fabricación, la producción deberá ser económicamente rentable para lograr la autosuficiencia y el beneficio social.

Los requisitos económicos de la fabricación espacial implican la necesidad de recolectar las materias primas necesarias con un mínimo coste energético. 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. Transportar 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 el lanzamiento desde la propia Tierra, a pesar de las mayores distancias involucradas. Esto convierte a estos lugares en fuentes de materias primas económicamente atractivas.

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• Andrew H. Cutler, Propiedades metalúrgicas de aceros lunares y asteroides , 7ª Conferencia Princeton/AIAA/SSI, 1985.
• David Gump, Space Enterprise: Más allá de la NASA , Praeger Publishers, 1990, ISBN 0-275-93314-8.
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• Lewis, J., Matthews, MS y Guerrieri, ML, editores, 1993, Recursos del espacio cercano a la Tierra , University of Arizona Press, 1993. ISBN 978-0-8165-1404-5.
• Wahl, Bruno W. (1968). Análisis de oportunidades seleccionadas para la fabricación en el espacio . McDonald Douglas Astronautics Company.

• Instituto de Estudios Espaciales
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• Programa de instalaciones de Wake Shield
• v:Lunar Boom Town Un grupo de estudio con juegos de rol en Wikiversidad donde los participantes planifican y estudian futuras aventuras espaciales.