PROIZVODNJA U SVEMIRU

Ivan Kremer

Made in space

Virtuelno jedro, neprobojno za solarni vetar

Pod svemirskom proizvodnjom se podrazumeva proizvodnja dobara u svemiru, u uslovima bestežinskog stanja, često, ali ne nužno, u vakuumu svemira. Takođe se koristi i termin orbitalna proizvodnja, s obzirom da je niska Zemljina orbita jedina trenutna realna meta za uspostavljanje održivih proizvodnih pogona u svemiru.

Treba imati na umu da se u niskoj Zemljinoj orbiti nalaze svi veštački sateliti koje čovečanstvo upotrebljava, a prisutan je i problem svemirskog otpada. Razlozi za premeštanje čitavih grana industrijske proizvodnje van naše planete svakako jesu ekološke prirode, ali specifični uslovi svemirske proizvodnje, pre svega odsustvo sile teže, omogućuju tehnike proizvodnje kakve na površini Zemlje nisu moguće, što predstavlja veliku prednost.
Primera radi, proces kristalizacije se drugačije odvija u odsustvu sile teže, a dobijeni kristali su vrlo često boljih karakteristika od onih dobijenih istim postupkom na površini Zemlje. Takođe, svemirski uslovi omogućuju mešanje supstanci koje se na Zemljinoj površini ne mogu mešati. Ako je za neki tehnološki proces ili primenu potreban sferni oblik neke supstance, mikrogravitacija u Zemljinoj orbiti je idealno okruženje za to. Tečnosti u uslovima mikrogravitacije, zahvaljujući površinskom naponu, formiraju savršene sfere. Ultračistoća svemirskog vakuuma takođe ima svoje prednosti, najpre za procese proizvodnje materijala bez neželjenih primesa. Naposletku, temperaturni ekstremi, od apsolutne nule svemira do visokih temperatura usled izloženosti Sunčevom zračenju, mogu biti korisni za tehnološke postupke u orbiti.

Voda i ugljenik, i otpad sa svemirskih stanica

Na drugoj strani, neki postupci koji koriste gravitaciju na Zemlji, u svemiru su komplikovaniji za izvođenje i prestavljaće izazov. Primer toga je livenje metala. Otopljeni metal se pri livenju izlije u kalup, u kome se hladi i poprima oblik kalupa. Bez dejstva sile teže, za dopremanje otopljenog metala u kalup, potrebna je neka vrsta pumpe, što je komplikovanije i povećava energetske potrebe postupka. Takođe, mnoge supstance, često upotrebljavane u industrijskim postupcima, nisu u dovoljnim količinama dostupne u svemiru. Njihovo dopremanje sa Zemlje takođe nije isplativo. Prvi primer toga bila bi voda. Iako su, recimo, komete sačinjene od leda, pa se iz njih može dobiti voda, pri pionirskim postupcima proizvodnje u niskoj Zemljinoj orbiti moguće je postojanje problema manjka vode za industrijske svrhe. Drugi primer bio bi ugljenik. Proizvodnja čelika iz sirove rude gvožđa iziskuje velike količine ugljenika. U tu svrhu se na Zemjli koristi ugljenik iz različitih izvora. U svemiru, ako izuzmemo asteroide ugljeničnog tipa, koji sa druge strane manjkaju u sadržaju metala, nema puno ugljenika. Jedan od predloga prevazilaženja manjka ugljenika za potrebe proizvodnje čelika u svemiru je da se kao izvor ugljenika koristi reciklirani biološki otpad sa svemirskih stanica.

Ukoliko se uzme u obzir i nastojanje da se u bliskoj budućnosti eksploatišu resursi obližnjih asteroida, svemirska proizvodnja na industrijskoj skali predstavlja proces koji komplementira procesu eksploatacije svemirskih resursa. Sirovine iz obližnjih asteroida mogu biti slane na dalju preradu u postrojenja u niskoj Zemljinoj orbiti. Za potrebe pouzdanog i isplativog transporta sirovina od mesta njihove ekstrakcije (asteroid, kometa, ili pak Mesec) do postrojenja za njihovu preradu, u niskoj Zemljinoj orbiti, potrebna je odgovarajuća tehnologija propulzije. U tu svrhu dolazi u obzir niz idejnih opcija na kojima se danas radi: počev od solarnih jedara, električnih jedara, preko jonskih potisnika do mikrotalasnih termalnih potisnika. Solarna jedra koriste velika ogledala koja, pod uticajem elektromagnetnog zračenja Sunca, odnosno fotona iz solarnog vetra, ili pak, kada se u njih uperi laser sa Zemlje, stvaraju potisak. Ta tehnologija već postoji i korišćena je u NASA-inim misijama. Električna jedra, sa druge strane, trenutno predstavljaju samo koncept predložen od strane finskog fizičara i pronalazača Peke Janhunena. Kod električnog jedra, oko letelice se razviju male žice u obliku mreže. Te žice se pozitivno naelektrišu, a oko svake žice tada se stvara električno polje. Ta polja čine virtuelno jedro jer za protone iz solarnog vetra, mreža takvih žica predstavlja nepremostivu barijeru. Protoni solarnog vetra, kao pozitivno naelektrisane čestice, odbijaju se od pozitivno naelektrisanu žičanu mrežu, a njihov impuls se tada prenosi na jedro, stvarajući potisak za letelicu. Istovremeno su elektroni solarnog vetra, kao negativno naelektrisane čestice, privučeni u žice, tako da kroz njih onda teče i struja. Precizno manevrisanje je, doduše, izazov za električna jedra. Manevrisanje se vrši promenama u naponu u žicama, a treba uzeti u obzir i da je solarni vetar promenljiv.

Samoodrživi sistem dobijanja materijala

Najveća današnja prepreka za masovnu proizvodnju u svemiru jeste visoka cena lansiranja tovara sa naše planete. Pomenuta cena polako pada, sa uvođenjem višekratnih raketa u upotrebu, ali lansiranje još uvek nije toliko pristupačno da bi čitav poduhvat bio finansijski potpuno nerizičan nekoj mladoj kompaniji. Olakšavajuća okolnost jeste i činjenica da je trošak lansiranja opreme jednokratan. Jednom lansirani pogon za proizvodnju trebalo bi da bude u stanju da godinama uspešno funkcioniše, donoseći stabilan profit koji bi vremenom višestruko prevazišao inicijalne troškove lansiranja. Sa druge strane, potrebna je neka vrsta održavanja opreme, što zasigurno stvara dodatne troškove. Pošto je trošak lansiranja obučenih ljudi u orbitu visok, za ceo ovaj poduhvat potreban je nivo tehnološkog razvoja koji uključuje visokoautonomne mašine, sposobne za samoodržavanje i samopopravku. Slanje ljudi da intervenišu bilo bi čuvano samo za posebne situacije, poput godišnjeg održavanja ili neke velike havarije.
Za postizanje željene autonomije proizvodnih mašina, jedan od preduslova je visokosofisticirana tehnologija 3D štampanja, koja omogućuje štampanje bilo kog potrebnog dela, na licu mesta, uz upotrebu isključivo in situ resursa. Današnja tehnologija 3D štampe, iako u munjevitom usponu, još uvek nije dostigla pomenuti nivo. Današnji 3D štampači, stvarajući objekte koji mogu stati u ljudsku šaku, to postižu ređajući slojeve materijala. Debljina sloja je reda veličine svega nekoliko milimetara. Za štampanje velikih objekata, koji su deo neke velike mašine, ili pak novi moduli neke svemirske stanice u orbiti, potrebna je štampa u slojevima mnogo veće veličine, reda veličine bar nekoliko santimetara.
Postavlja se i pitanje materijala. Današnji 3D štampači uglavnom koriste razne vrste plastike. Pojedini moderni 3D štampači prilagođeni su upotrebi u građevinarstvu pa koriste građevinske materijale, omogućujući brzu gradnju stambenih objekata na Zemlji, ređajući veće slojeve građevinskih materijala. Varijacije takvih štampača mogu biti upotrebljene na Mesecu, ili Marsu, za izgradnju tamošnjih budućih naseobina, uz upotrebu lunarnog regolita, odnosno, u slučaju Marsa, marsovskog zemljišta. Takvi bi štampači zagrevali pomenuti materijal do usijanja, a zatim ga izlivali u slojeve i gradili naseobine. Slično zagrevanje i izlivanje u slojeve materijala dobijenih iz obližnjih asteroida, prilikom buduće svemirske proizvodnje, takođe se čini mogućim. Za izradu delova mašina, moguće je koristiti metale na čijem rudarenju iz asteroida date mašine rade. To bi predstavljalo jedan zatvoren, samoodrživ sistem. Svakako će i novi materijali, koji tek treba da budu otkriveni, predstavljati nove mogućnosti za tehnologiju svemirskog 3D štampanja.

Uz pomoć AI i algoritma

Drugi važan preduslov za postizanje željene autonomije proizvodnih pogona u orbiti, svakako je softver koji kontroliše proces proizvodnje, odnosno algoritmi veštačke inteligencije, koji bi trebali biti u stanju samostalno donositi odluke pri različitim situacijama i izazovima. Naravno, komande mogu biti zadate i sa Zemlje ako je postrojenje u orbiti, ali veći stepen autonomije je poželjniji. Veštačka inteligencija napreduje iz godine u godinu i, do pojave prvih većih svemirskih proizvodnih pogona, sigurno će biti u stanju, ako već nije, da bude na visini zadatka.
S obzirom da je ideja o industrijskoj proizvodnji u svemiru stara koliko i samo istraživanje svemira, razne prošle i sadašnje misije, uključuju brojne eksperimente imaju za cilj ispitivanje uticaja uslova u svemiru na industrijske procese. Još 1969. godine, tokom misije “Sojuz 6”, sovjetski kosmonauti su isprobavali proces zavarivanja različitih metala u svemiru, pomoću specijalno izrađene naprave za tu svrhu. Zavarivali su aluminijum, titan i nerđajući čelik.
Veliki broj eksperimenata vezanih za procese proizvodnje izveden je i sedamdesetih godina na američkoj svemirskoj stanici “Skylab”. Ta stanica je bila opremljena komorom za rast kristala, elektrolučnom peći, elektronskim emiterom za zavarivanje elektronskim snopom i mnoštvom drugih uređaja od industrijskog značaja. Eksperimenti su obuhvatali praćenje rasta kristala i upoređivanje tako dobijenih kristala sa kristalima iste supstance uzgajanim na Zemlji, zavarivanje elektronskim snopom, lemljenje cevi od nerđajućeg čelika, formiranje sfera od istopljenih metala, kao i fotografisanje ponašanja različitih zapaljenih materijala.
Tokom osamdesetih, devedesetih i ranih dvehiljaditih godina, razni eksperimenti ovog tipa izvođeni su tokom brojnih letova “spejs šatlova”. Postojala je i posebna prenosiva laboratorija, prigodnog naziva, Spacelab. Razvijena kroz saradnju NASA-e i Evropske svemirske agencije, više puta je odnošena u orbitu u skladišnom prostoru šatlova. Takođe, tri puta, tokom ‘94, ‘95. i ‘96. godine, u orbitu je šatlovima slata tzv. Wake Shield Facility platforma koja je, u uslovima vakuuma i mikrogravitacije, proizvodila galijum-arsenid i aluminijum galijum-arsenid, u obliku tankog sloja. Pomenuta kristalna jedinjenja koriste se u industriji poluprovodnika, za tranzistore. Eksperimentne sinteze na WSF platformi bile su prvi primer uspešnog sintetisanja jedinjenja iz industrije poluprovodnika u tankom sloju u svemiru i dokaz validnosti koncepta. I Evropska svemirska agencija je provodila eksperimente iz oblasti industrijske proizvodnje u orbiti. U junu 2005. godine, tokom Foton M2 misije, u orbitu je postavljena laboratorija bez posade. Prilikom te misije, provedeno je mnogo eksperimenata, a neki od njih su uključivali i rast kristala, kao i proučavanje ponašanja otopljenih metala u bestežinskom stanju.
Međunarodna svemirska stanica (MSS) daje šire mogućnosti za provođenje ovakvih eksperimenata i doprinela je novim otkrićima u oblasti nauke o materijalima. U njenom sastavu nalazi se evropski Columbus modul koji predstavlja pravu svemirsku laboratoriju. U njemu se, primera radi, koristi FSL naprava koja proučava mehaniku fluida u bestežinskom stanju. Prvi prototip svemirskog 3D štampača dopremljen je na Međunarodnu svemirsku stanicu još 2014. godine, a razvijen je od strane kompanije “Made In Space”. Ono što je neverovatno je da je pomenuta kompanija osnovana svega četiri godine ranije. Njihov prototip, uspešno je testiran 17. decembra 2014. godine, kada je na osnovu nacrta poslatog elektronskom poštom iz sedišta kompanije na Međunarodnu svemirsku stanicu, ištampana jedna mala mašinska alatka. Štampanje je trajalo četiri sata.
U aprilu 2016. godine, na MSS je instalirana potpuno funkcionalna komercijalna verzija njihovog 3D štampača, imena Additive Manufacturing Facility, sposobna za štampu malih objekata od tri različita plastična polimera: akrilonitril butadien stirena (ABS), polietilena visoke gustine (HDPE) i kompozita polietarimida i polikarbonata (PEI-PC). Kompanija “Made In Space” je u junu 2020. godine kupljena od strane “Redwire” koorporacije, koja je nastala spajanjem još dve kompanije iz oblasti svemirske industrije. U saradnji sa kompanijom “Tethers Unlimited”, NASA je razvila refabrikartor, uređaj veličine mikrotalasne peći, koji reciklira korišćenu plastiku u svrhu 3D štampe bilo čega u uslovima svemira. Uređaj je dopremljen na Međunarodnu svemirsku stanicu 2021. godine i trenutno se tamo testira. Prethodno je temeljno testiran na Zemlji u NASA-inom Maršalovom centru u Hantsvilu, Alabami, u Nacionalnom centru za naprednu proizvodnju.

I optički kablovi i lekovi…

Proizvodi koji će biti prvi na spisku za proizvodnju u svemiru uključuju keramiku i solarne panele. Materijal prikupljen sa Zemlji bliskih asteroida može biti dobra sirovina za proizvodnju oba pomenuta proizvoda. Keramička oplata je dosta korišćena za zaštitu letelica od toplote pri ponovnom ulasku u atmosferu, još od vremena spejs-šatla. Velike mreže solarnih panela lakše je proizvoditi i postavljati u orbiti, u uslovima mikrogravitacije. Solarni paneli proizvedeni u svemiru mogu se odmah rasporediti u orbitu i služiti kao kolektori solarne energije za energetske potrebe samih postrojenja za industrijsku proizvodnju. Višak sakupljene energije se čak može i slati na Zemlju putem mikrotalasa.
Kompanija “Varda Space Industries”, osnovana u novembru 2020. godine radi na izgradnji svemirske stanice koja bi služila kao postrojenje za proizvodnju računarskih čipova. Odsustvo prašine i zemaljske gravitacije trebalo bi da rezultira većom preciznošću pri proizvodnim procesima delikatnih proizvoda poput čipova. Ovakvi uslovi pogodni su i za proizvodnju optičkih kablova, a u nekoj etapi razvitka proizvodnih kapaciteta moguća je i proizvodnja farmaceutskih proizvoda. “Varda” je inicijalno prikupila 9 miliona dolara investicija u decembru 2020. godine, da bi u julu 2021. godine prikupila još 42 miliona dolara od raznih investitora. U avgustu 2021. godine, potpisan je ugovor o kupovini tri Foton pogonska satelita između “Varde” i kompanije “Rocket Lab”. Foton sateliti će služiti za izgradnju “Vardinog” svemirskog postrojenja, biće nadograđeni odgovarajućim “Vardinim” uređajima za preradu sirovina i proizvodnju. U oktobru 2021. godine “Varda” je sa kompanijom “Space X” ugovorila da njihova “falcon 9” raketa dostavi u orbitu prve “Vardine” satelite. To će biti realizovano početkom 2023. godine.
Svemirska proizvodnja će se u početku svoditi na pojedine proizvode potrebne za dalju gradnju infrastrukture u orbiti, proizvode koji se lako dobijaju iz dostupnih sirovina i proizvode koje je jedostavnije proizvoditi u orbiti. Međutim, kako cena lansiranja tovara sa naše planete bude dalje opadala, kako se bude uključivalo više kompanija, spektar proizvoda će se širiti, a stepen zavisnosti od kontrole i podrške sa Zemlje će opadati. Krajni cilj je stvaranje potpuno autonomne industrije proizvodnje u svemiru, koja prvenstveno služi ljudima koji žive i rade na svemirskim stanicama, Mesecu, a kasnije Marsu i pojasu asteroida.

Ivan Kremer

Kompletni tekstove sa slikama i prilozima potražite u magazinu
"PLANETA" - štampano izdanje ili u ON LINE prodaji Elektronskog izdanja
"Novinarnica"