הקדמה: הגבול החדש של ייצור מבוסס חלל

בעוד האנושות דוחפת מעבר למסלול כדור הארץ הנמוך לעבר התנחלויות ירח קבוע, משימות מאדים וכריית אסטרואיד, היכולת לייצר חומרים ומוצרים בחלל אינה מושג קידוד – היא הופכת להכרחית מעשית לסביבה הייחודית של החלל, במיוחד מצב המיקרו-גרביטי, מציעה הזדמנויות חסרות תקדים לייצור תעשייתי שהן בלתי אפשריות לשכפל על פני כדור הארץ.

הבנת מיקרוגרפיות והשפעותיה על פלואידים

מה זה מיקרוגרפיט?

מיקרוגרביטטי אינה העדר מוחלט של כוח הכבידה; אלא מתייחסת למצב שבו כוחות כבידה כה חלשים עד שהשפעותיהם הופכות לזניחות בהשוואה לכוחות אחרים כגון מתח פני השטח, פעולת כפייה, או אינרציה. בתחנת החלל הבינלאומית (ISS), המיקרוגרביטה מושגת באמצעות נפילה חופשית מתמשכת כמו התחנה הסובבת את כדור הארץ.

כיצד התגלמות בדרך כלל מתבודדת התנהגות פלוג

על פני כדור הארץ, הכבידה מניעת כמה תופעות נוזלים עיקריות:

  • (ב) ⁇ :0) ,(ב) ,ב[[1924]]: ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ :0) , ⁇ (ב) ,ב"ה) , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) לחץ הינדרוסטטי:0) לחץ על לחץ 1FLT עולה בעומק, המשפיע על הפצת נוזלים במיכלים.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ : ⁇ (ב) , 1:1 , ⁇ , ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇

במיקרו-גרביטציה, נהגים כבידה אלה כמעט נשללו.הקונה המונעת על ידי ביוקינסי חדל, סימנטציה נעלמת, ושרירים בלחץ הידרוסטטי נעלם. כתוצאה מכך, כוחות משניים – מתחים דו-צדדיים, פעולה כבירה, דיפוזיה ומולקוס- מול החזית, ומשנים באופן קיצוני את האופן שבו נוזלים מועברים ומעורבים.

בסביבה של Microgravity Fluid

בהיעדר כוח הכבידה, נוזלים נוטים להניח צורות מוכתבות רק על ידי מתח משטח ונכסים רטובים. טיפות מים בחלל באופן טבעי יוצר כדור מושלם, בעוד במיכל, הנוזל יטפס על קירות או טופס מקבץ concave Menisci בהתאם זווית מגע.חוסר ראש כבידה באופן טבעי יוצר כדור שלם, זרימת לחץ פועל אחרת, ואת ההתנהגות של בועות, טיפות, ואביזרים נשלט על ידי כוחות פנימיים יציבים יכול לפעול באופן קבוע.

Phenomena תחבורה נוזלית במיקרוגרפי

כמה תהליכי תחבורה בסיסיים מושפעים מאוד מהסביבה המיקרו-גרפית.כל אחד מציג אתגרים והזדמנויות לייצור.

פעולה Capillary

פעולת Capillary - היכולת של נוזל לזרום בחללים צרים ללא סיוע של כוחות חיצוניים - להביא מנגנון דומיננטי במיקרו-גרביטטי. על פני כדור הארץ, עלייה בבירה מוגבלת על ידי הכבידה, אבל בחלל, כוחות capillary יכולים להעביר נוזלים על פני מרחקים ארוכים, למלא מיכלים, ומאפשרים שטף אמצעי התקשורת של ⁇ .

  • (ב) ⁇ :0) משלוח נוזלים פסיבי: 1FLT:1 משאבות מונחות מתח על פני השטח להעביר מגיבים נוזלים באמצעות מיקרו ערוצים ללא חלקים נעים.
  • (FLT:0) ניהול של פול: 1FLT:1 Capillary vanes ומסכים בטנקים מונעים להבטיח כי דלק נוזלי מגיע המנוע ללא קשר לנטייה.
  • (ב) ניתן להשתמש בכוחות Capillary כדי להתאים ולחבר רכיבים קטנים בתהליכי ייצור תוספים.

דוגמה ידועה אחת היא ניסוי Capillary Flow שנערך על ISS, שחקר את ההתנהגות של נוזלים בערוצים פתוחים והוכיח כי ניתן להשתמש בפעולת capillary כדי לשלוט במיקום נוזלי.

השפעות על פני השטח

מתח פני השטח, הכוח השקוף בממשק בין נוזל ומדיום אחר (גז, מוצק או נוזל בלתי ניתן למגבלה), הופך לנהג העיקרי של צורה ותנועה במיקרו-גרביטציה.ללא buoyancy, טיפות לא ליפול; הם גדלים, מתמזגים, ופורקים רק תחת השפעת המתח והפגיעות החיצוניות.

  • (FLT:0) היווצרות של פיזור: 1 בתהליכים כגון רסיס קירור או הדפסה דיוג'ט, גודל הטיפה וטרפירורי נשלטים על ידי מתח פני השטח ולא על ידי הכבידה.
  • (ב) יציבותה של תפוצה:0) ,(FLT:1 היעדר שמנת או משקעים מאפשר יצירת אמירות אולטרה-סוליות עבור מוצרי תרופות או קוסמטיים.
  • (FLT:0) ,הפצה והפצת: FLT:1, זווית מגע של נוזל על פני השטח מוצק קובע כמה ציפויים, מכרים, או דבקים מתנהגים. במיקרו-גרביטציה, היעדר כוחות כבידה פירושו שניתן ללמוד התנהגות רטובה מנוצלת ללא התערבות גורפת.

תופעה מרתקת שנצפתה במיקרוגרביטציה היא FLT:0 מאנגוני convectionFLT:1, הידוע גם כזרם תרמופילי.ריאציות במתחים על פני השטח בשל ⁇ טמפרטורה לאורך ממשק נוזלי יכול להניע תנועה נוזלית.זה חשוב במיוחד בצמיחה ובתהליכי השחיקה, שבו אפילו זרמים קטנים יכולים להשפיע על איכות החומרית.

Diffusion

דיפוזיה מולקולרית - התנועה התרמית האקראית של חלקיקים - אינה מושפעת ישירות על ידי הכבידה, אבל תפקידה בתחבורה המונית הופך משמעותי יותר כאשר הצטברות גדולה מודחקת. בחלל, דיפוזיה הופכת לעתים קרובות למנגנון העיקרי לשילוב מגיבים, במיוחד בנוזלים סטרגנטיים.זה גם כוח וחולשה:

  • (FLT:0)Opportunity:FLT:1 תהליכים מוגבלים, כגון גבישי חלבון, ניתן לבצע עם שליטה רבה יותר.ללא זרמים קולקטיביים המפרשים את קצבה גבישית, גדול יותר ומושלם יותר גבישים יכול להיווצר.זה היה אזור מחקר גדול על ISS, המוביל לשיפור פיתוח סמים וביולוגיה מבנית.
  • (FLT:0)Challengeue:FLT:1 Diffusion איטי.לתהליכי ייצור הדורשים שילוב מהיר - כגון סינתזה כימית או סגסוגת - חוסר של מהנדסי קיבור להציג שילוב כפוי באמצעות מגרים מכניים, שדות אקוסטיים, או זיהום כאומטי מיקרו-השפעה.

הבנת הממשק בין דיפוזיה לבין מנגנוני תחבורה אחרים היא חיונית לתכנון כורים יעילים לייצור חלל.

דיכוי הצנזורה והקונקוויזיות שלה

הדבקה טבעית המונעת על ידי הבדלים בדחיסות (בשל טמפרטורה או ריכוז ⁇ s) כמעט לחלוטין נעדרת במיקרוגרביות.יש לכך השפעות עמוקות על חום ועברה המונית.ללא זרימה מושרה בכבדות, העברת חום משטח חם מתרחשת בעיקר על ידי התנהגות וקרינה. בדומה, העברה המונית מממשק פירוק מסתמך על דיפוזיה בלבד.

  • (FLT:0) ניכוי: FLT1 רכיבים אלקטרוניים וציוד ייצור צריך להיות מגניב באמצעות טיהור כפוי (pumps, אוהדים) או לולאות קירור דו-פפז (התקפה / חתומה) כי קירור טבעי הוא לא יעיל.
  • (FLT:0) הסרת גרסא: בועות 1:1 בועות שנוצרו במהלך תגובות כימיות או עיבוד חומרי לא עולה על פני השטח בשל buoyancy. במקום זאת, הם יכולים להישאר לכודים בנוזל, הדורש טכניקות מיוחדות כגון הפרדה צנטריפוגית או הפללה המונעת על פני השטח.
  • (FLT:0) olidification: FLT:1 במהלך מתכת או חצי מוליכים ליהוק, היעדר קונפדרציה פירושו כי חזית ההחזקה אינה מופרעת על ידי זרימה נוזלית, אשר יכול להוביל ליותר מיקרואורגניזמים הומוגניים.עם זאת, זה גם אומר כי דחה solute מצטבר על הממשק, גרימת supercooling חוקתי ולא רצוי בשלב זה אלא אם כן מנוהל בקפידה.

החוקרים פיתחו שיטות לגרום לזיהום מבוקר באמצעות שדות מגנטיים מסתובבים, זרימה אקוסטית או רטט מכני להתגבר על מגבלות אלה תוך שמירה על כמה מהיתרונות של מיקרוגרפיט.

השלכות על ייצור מבוסס חלל

תופעות התחבורה הנוזליות הייחודיות המתוארות לעיל מאפשרות מגוון של תהליכי ייצור שאינם אפשריים או יעילים ביותר על פני כדור הארץ. להלן הם אזורים מרכזיים שבהם מיקרוגרפי מנוצל לייצור מסחרי ומדעי.

צמיחה קריסטל עבור Semiconductors ו Optics

אחת האפליקציות המוקדמות והחמורות ביותר של ייצור מיקרו-גרביטי היא הגידול של גבישים איכותיים. בחלל, היעדר הדבקה המונעת על ידי buoyancy מבטלת תנודות טמפרטורה בממשק גבישי-הלח, וכתוצאה מכך גבישים עם פחות פגמים, יותר אחידות dopant הפצה, וגודלים אינפרא-אדום יותר.

הפקה אופטית

סיבים אופטיים מיוצרים על ידי ציור preform בטמפרטורות גבוהות. על פני כדור הארץ, הכבידה גורמת sagging וריאציות קוטר, הגבלת אורך אחידות של סיבים. במיקרו-גרביטציה נשאר סימטרי לחלוטין, המאפשר ייצור של פלטפורמות אולטרה-ארוך, סיבים נמוכים עם תכונות אופטיות גבוהות יותר.

ייצור תרופות וביולוגיה

ייצור תרופות - במיוחד תרופות המבוססות על חלבון - מחלחלות מאוד ממיקרו-גרביטלוני. גבישים חלבון שגדלו בחלל הוכח להיות גדול יותר וטוהר מבני גבוה יותר מאשר עמיתיהם בעלי כדור הארץ, ומאפשר ניתוח מדויק יותר של X-ray עבור עיצוב סמים, יתר על כן, היעדר של משקעים מאפשר לתרבויות תאים אחידות ביולוגיים, המוביל להניבות עקביות יותר של חלבונים טיפוליים, כמו נוגדנים מסחריים:0 מיקרו-אפ.

Metal Alloys ו- Foams

הייצוב של ⁇ מתכת בתוצאות מיקרו-גרביטטיביות במיקרו-בניות שהן הומוגניות יותר מאלה המיוצרים על פני כדור הארץ.ללא הפרדה מושרה בכבדות, הפצת אלמנטים ⁇ היא אחידה, שיפור תכונות מכניות.בנוסף, היעדר המשקעים מאפשר יצירת קצף מתכת - חומרים במשקל עם מבנה תא - על ידי הזרקת גזים יקר לתוך ממת מתכת, אבל הם ממשיכים במהירות גבוהה.

ייצור תוספת (3D הדפסה)

נאס"א וארגונים אחרים הפגינו הדפסה תלת-ממדית של פולימרים ומתכות על ISS. במיקרו-גרביטציה, תהליך השכבות מושפע מחוסר פשרות המונעות על ידי הכבידה של חלקיקים והתנהגות בריכות ההיתוך.עם זאת, כוחות capillary ומתח פני השטח ניתן להשתמש כדי לשלוט בצורת של חומרים מרוצפים ממוחזרים ולמנוע משיכת מבנים.

גישות טכנולוגיות לשליטה פלויד בחלל

כדי לממש את הפוטנציאל של ייצור מבוסס חלל, מהנדסים פיתחו מגוון טכנולוגיות כדי לתמרן נוזלים בהיעדר כוח הכבידה.

מכשירים מיקרו-השפעהיים

מיקרודיקליקים – מניפולציה של נוזלים בערוצים עם ממדים על סדר של עשרות עד מאות מיקרומטרים – הם אידיאליים עבור החלל כי כוחות על פני השטח שולטים על כוח הכבידה.מכשירים אלה יכולים לבצע ערבוב, הפרדה, תגובה וניתוח עם חלקים מינימליים נעים.הם משמשים עבור סינתזה כימית אוביט, אבחון ביו-רפואי וצמיחה גבישית.

Capillary-Driven Pumps ו Valves

מערכות טיפול נוזליות פאסיביות הנתמכות על לחץ capillary הן אמינות ביותר במיקרו-גרביטציה.ד.ד. ⁇ פשוט יכול להעביר נוזל ממאגרים לאתר תגובה. , שסתום Capillary - פתוח רק כאשר סף לחץ מסוים מגיע - מותר עבור משלוח נוזל זרע ללא אלקטרוניקה.מכשירים אלה משמשים בתאי דלק, מערכות תמיכה חיים, וכורים כימיים על החללית.

אלקטרוסטטי ומגנטי Manipulation

שדות חשמליים יכולים להעביר טיפות מואשמים לשלוט על הפלימיזציה שלהם - טכניקה המשמשת במערכות אלקטרוספריות למניעה ו הדפסה. בדומה, שדות מגנטיים יכולים להיות מיושם על מנת להפרע או לגרום לריגושים מוליכים (כמו במקרה של היטל אלקטרומגנטי). שיטות אלה לספק שליטה מדויקת ללא מגע מכני, צמצום זיהום ולבוש.

שדות אקוסטיים ואולטרה

ניתן להשתמש בגלים אקוסטיים כדי ללכוד חלקיקים, לערבב נוזלים, או לגרום הזרמת. בהיעדר buoyancy, אקוסטיקה יכול למקם בועות עבור ניונקיה מבוקרת או לתמרן טיפות עבור תהליכי הייצור. נאס"א:0Ring Sheared Droped Droped הניסויFLT:1 משתמש בהשתלה אקוסטית כדי ללמוד הדבקה של חלבון בסביבה מיקרו-גרפית.

כיוונים עתידיים ואתגרים

כייצור מבוסס חלל נע מניסויים במעבדה לייצור בקנה מידה מסחרי, יש לטפל במספר אתגרים.

אחריות וציוד

ציוד ייצור חייב לפעול במשך שנים ללא אפשרות של תיקון קל או החלפת.זה דורש עיצובים חזקים שיכולים להתמודד עם הלחץ הייחודי של ההשקה והסביבה המיקרו-גרבית. מערכות טיפול פלויד חייבות להיות חופשיות מהאוויר, לא להדליף, וחייב להיות מסוגל לפעול עם כוח מינימלי.השימוש במערכות capillary פסיבי הוא דרך אחת להגדיל את האמינות.

2-Phase Flow & Heat Transfer

תהליכי ייצור רבים כרוכים בזרימת רתיחה, הדבקה, או תגובות גז-לידוק.זרימת שתי-phase במיקרו-גרביטציה שונה באופן דרמטי מכדור הארץ: בועות אינן עולות, וסרטים נוזליים יכולים להפוך לבלתי יציבים.

הפקה Up הפקה

רוב הניסויים היו בקנה מידה קטן.כדי לייצר כמויות בעלות יכולת מסחרית – למשל, טון של סיבים ZBLAN או ק"ג של מוליכים למחצה – מתקני הזחל יידרשו.זה ידרוש פלטפורמות ממושכות עם יותר כוח, נפח ותמיכה צוות.

In-Situ Resource Utilization (ISRU)

ייצור עתידי בחלל יהיה כנראה להסתמך על חומרים מקומיים - רגולציה, קרח מים או גזים אטמוספיריים על מאדים - לייצר ציוד בנייה, דלק, וספקי תמיכה בחיים, להבין כיצד נוזלים מתנהגים בכובד ראש נמוך חיוני לעיבוד משאבים אלה. לדוגמה, אלקטרוליטיזה של מים לייצור חמצן דורש ניהול זהה של הסרת גז מאלקטרוליט.

מחסומים וסכסוכים כלכליים

לבסוף, הכדאיות הכלכלית של ייצור מבוסס חלל תלויה בצמצום עלויות השיגור ובהקמת מסגרת רגולטורית לזכויות רכוש, בטיחות ושיקולים סביבתיים.כפי שחברות פרטיות כמו FLT:0Made in SpacecioFLT:1 (כיום חלק מ- Redwire) מפגינים מוצרים מסחריים, המקרה להשקעות במחקר תחבורה נוזלי הופך לחזק יותר.

מסקנה

מיקרוגרפי משנה באופן יסודי תופעות תחבורה נוזליות, מה שהופך את מה שהיו פעם כוחות קטנים לנהגים ראשוניים של התנהגות.פעולת Capillary, מתח פני השטח, דיפוזיה, ודיכוי של הדבקה ליצור אתגרים והזדמנויות חסרות תקדים לייצור מבוסס חלל.מבישים מושלמים ועד סיבים אולטרה-סגולים ותרופות מתקדמות, היכולת לשלוט בדינמיקה נוזלית בכובד משקל נמוך מאפשרת עידן חדש של ייצור תעשייתי מעבר לכדור הארץ, להמשיך ולאפשר נוכחות פרטית, כמו נאס"א, כמו ארגונים פרטיים, כמו ESA, אפילו, כמו ארגונים פרטיים, כמו פיתוח רחב יותר, כמו ESA, כמו גם עבור ארגונים מתקדמים, כמו גם עבור ארגונים חדשים, כמו גם עבור תעשיות פרטיות, כמו גם עבור תעשיות מתקדמות יותר, כמו ESA, כמו ארגונים מתקדמים, כמו גם עבור תעשיות פרטיות, כמו גם עבור מערכות כוח המשיכה, כמו גם כוח המשיכה, כמו ESA, כמו ESA, כמו פיתוח אנרגיה, וטכנולוגיות כוח המשיכה, כמו ESA, כמו פיתוח אנרגיה פרטית, כמו פיתוח אנרגיה פרטית, כמו גם עבור תעשיות פרטיות, כמו ESA, כמו גם עבור מערכות כוח הכבידה נמוכה יותר, כמו גם עבור מערכות כוח המשיכה, כמו ESA, כמו ESA, כמו ESA, כמו מנגנוני לחימה, כמו פיתוח אנרגיה, כמו פיתוח אנרגיה מתחדשת