Ruimtefabricage: fabrieken in een baan om de aarde
Stel je een fabriek voor zonder zwaartekracht, zonder lucht, en met temperatuurverschillen van honderden graden tussen zon en schaduw. Vreemd genoeg zijn dat precies de omstandigheden die sommige producten juist beter maken. Ruimtefabricage is de verzamelnaam voor het maken of bewerken van materialen en producten in de ruimte, meestal aan boord van een satelliet of ruimtestation, om te profiteren van eigenschappen die op aarde niet te krijgen zijn.
Een concreet voorbeeld: op aarde zakken zware stoffen in een vloeistof naar de bodem en stijgt warme lucht op, puur door de zwaartekracht. Kristallen die groeien in zo'n omgeving groeien daardoor vaak met kleine foutjes of scheuren. In een baan om de aarde, waar alles voortdurend met het ruimtevaartuig meevalt, verdwijnt dat effect bijna volledig. Kristallen kunnen dan zuiverder groeien, glasvezels homogener stollen en medicijnen andere, soms betere kristalvormen aannemen. Dat is de kern van waarom bedrijven en ruimtevaartorganisaties fabrieken willen bouwen die niet op aarde staan, maar erboven.
Wat is het precies?
Het woord "ruimtefabricage" klinkt futuristisch, maar in de praktijk gaat het vaak om kleinschalig, zeer precies werk. Geen assemblagelijnen met auto's, maar precisiewerk met kristallen, vezels en dunne materiaallagen.
De belangrijkste eigenschap die wordt benut is microzwaartekracht: de bijna-gewichtloosheid die ontstaat wanneer een ruimtevaartuig in vrije val om de aarde beweegt. Dit is niet hetzelfde als "geen zwaartekracht" — de zwaartekracht is er nog steeds, maar het voertuig en alles erin vallen met dezelfde constante versnelling, waardoor de inhoud gewichtloos lijkt. Zonder bezinking, opstijgend gas of warmteconvectie verlopen sommige natuurkundige en chemische processen fundamenteel anders dan op aarde.
Daarnaast biedt de ruimte een vrijwel perfect vacuüm (afwezigheid van lucht en verontreiniging) en extreme temperatuurwisselingen, wat nuttig kan zijn bij het bewerken van metalen of het reinigen van oppervlakken zonder chemische middelen.
De meeste projecten vallen in een van drie categorieën. Ten eerste additive manufacturing, beter bekend als 3D-printen: een machine bouwt een object laag voor laag op uit plastic, hars of metaalpoeder. Ten tweede het laten groeien van kristallen of vezels, zoals bij bepaalde glasvezels of halfgeleidermaterialen, waarbij microzwaartekracht zorgt voor minder defecten in de structuur. Ten derde de robotische assemblage van grote constructies, zoals zonnepanelen of antennes, die te groot of te kwetsbaar zijn om opgevouwen een lancering te overleven.
Een fabricageproject in de ruimte doorloopt meestal dezelfde stappen: het productieapparaat of de grondstof wordt gelanceerd, vaak in een kleine satelliet of naar een ruimtestation; het proces draait grotendeels autonoom of met beperkte tussenkomst van astronauten; en het eindproduct keert terug naar aarde in een hitteschildcapsule, of blijft juist in de ruimte als het daar gebruikt wordt, zoals een zonnepaneel.
Wat wil men ermee bereiken?
De belofte van ruimtefabricage is tweeledig. Het eerste doel is het maken van producten die op aarde eenvoudigweg niet met dezelfde kwaliteit te maken zijn: zuiverdere kristallen voor medicijnen, halfgeleiders met minder fouten in hun kristalstructuur, of glasvezels die licht met minder verlies doorgeven. Voor kleine hoeveelheden van dure, hoogwaardige producten zou dat de kosten van een ruimtevlucht kunnen rechtvaardigen.
Het tweede doel is toekomstgericht. Als de mensheid ooit permanent in de ruimte wil verblijven, grotere ruimtestations wil bouwen of missies naar de Maan en Mars wil ondersteunen, is het onpraktisch om alles vanaf aarde te lanceren. Onderdelen, gereedschap en zelfs constructie-elementen ter plekke maken — desnoods met materiaal dat al aanwezig is, zoals maanstof (regolith) — zou missies goedkoper en flexibeler maken.
Er is ook een economisch motief. Durfkapitaalinvesteerders en ruimtevaartbedrijven zien in ruimtefabricage een mogelijke nieuwe markt binnen de bredere "ruimte-economie", nu de kosten van lanceringen dankzij herbruikbare raketten fors zijn gedaald.
Voorbeelden uit de praktijk
Het Amerikaanse bedrijf Made In Space (tegenwoordig onderdeel van Redwire) plaatste in 2014 de eerste 3D-printer aan boord van het Internationaal Ruimtestation (ISS), de zogeheten Zero-G Printer. Die printte kleine plastic onderdelen en gereedschappen, en bewees vooral dat 3D-printen in microzwaartekracht werkt. In 2016 volgde een permanente, commerciële opvolger: de Additive Manufacturing Facility.
Vanaf 2017 experimenteerden Made In Space en het Amerikaanse bedrijf FOMS met het trekken van ZBLAN-glasvezel aan boord van het ISS. ZBLAN is een fluoride-glas dat op aarde tijdens het afkoelen kleine kristallen vormt die het lichtsignaal verzwakken; in microzwaartekracht zou dat euvel grotendeels wegvallen. Redwire zette dit werk voort met meerdere vluchten, en de resultaten zijn veelbelovend, maar grootschalige, commercieel rendabele productie is nog niet aangetoond.
Het Amerikaanse start-up Varda Space Industries lanceerde in juni 2023 zijn eerste capsule, W-1, die in een baan om de aarde kristallen van het hiv-medicijn ritonavir liet groeien. Door vertraging bij de goedkeuring van de Amerikaanse luchtvaartautoriteit FAA voor terugkeer duurde het tot februari 2024 voordat de capsule daadwerkelijk landde in de woestijn van Utah — de eerste keer dat een particulier bedrijf een eigen ruimtecapsule liet terugkeren met een commercieel geproduceerd product aan boord.
Het Britse bedrijf Space Forge ontwikkelt kleine satellieten (ForgeStar) die halfgeleidermaterialen in de ruimte willen maken, met als doel chips die efficiënter zijn dan hun aardse tegenhangers. Het bedrijf liep bij een van zijn eerste testvluchten tegen tegenslagen aan, wat illustreert hoe pril en risicovol deze sector nog is.
Ook staatsruimtevaart doet mee: Chinese onderzoekers meldden in 2020 een van de eerste 3D-prints van een continu koolstofvezelcomposiet in de ruimte, als onderdeel van de voorbereidingen op het Chinese ruimtestation Tiangong. De Europese ruimtevaartorganisatie ESA testte samen met Airbus een metalen 3D-printer aan boord van het ISS, die enkele van de eerste metalen onderdelen ooit in de ruimte printte.
Hoe ver is de techniek?
Ruimtefabricage bevindt zich grotendeels nog in de experimentele en vroegcommerciële fase. De meeste projecten produceren kleine hoeveelheden — grammen tot enkele kilogrammen — bedoeld om te bewijzen dat het proces werkt en dat het eindproduct daadwerkelijk beter is dan het aardse equivalent. Op enkele uitzonderingen na, zoals het printen van eenvoudige plastic onderdelen op het ISS, bestaat er nog geen doorlopende, commercieel winstgevende productielijn in de ruimte.
De belangrijkste hindernissen zijn niet zozeer natuurkundig, maar logistiek en economisch. Een lancering kost nog altijd tienduizenden tot miljoenen euro's, ook al drukken herbruikbare raketten zoals die van SpaceX de prijzen fors. Een product moet daardoor extreem waardevol zijn per gram om de reis heen en terug te rechtvaardigen. Ook de terugkeer is technisch lastig: een capsule moet de hitte van het terugkeren in de dampkring overleven en op een veilige, voorspelbare plek landen, wat zorgvuldige planning en vergunningen vereist, zoals bij Varda's eerste missie bleek.
Tegelijk gaat de ontwikkeling gestaag door. Waar de eerste experimenten decennia geleden nog draaiden om ruwe proof-of-concepts tijdens Spaceshuttle-vluchten, zijn er nu private bedrijven die eigen satellieten bouwen die grotendeels autonoom fabriceren en terugkeren. De komende jaren moet vooral blijken of de beloofde kwaliteitswinst bij glasvezels, kristallen en halfgeleiders groot genoeg is om de hoge kosten te compenseren. Onafhankelijke, herhaalde bevestiging van die kwaliteitswinst op grotere schaal ontbreekt vooralsnog grotendeels.
Wie werken eraan?
In de Verenigde Staten is Redwire Corporation, voortgekomen uit een fusie waarin Made In Space opging, een van de grootste spelers, met jarenlange ervaring in 3D-printen en materiaalonderzoek op het ISS. Varda Space Industries richt zich specifiek op farmaceutische productie in de ruimte. NASA ondersteunt veel van dit werk via zijn ISS National Laboratory en programma's zoals Tipping Point, die private investeringen aanvullen met overheidsfinanciering.
In Europa coördineert de Europese Ruimtevaartorganisatie (ESA) onderzoek naar fabricage en assemblage in de ruimte, vaak in samenwerking met grote lucht- en ruimtevaartbedrijven zoals Airbus. Het Verenigd Koninkrijk heeft met Space Forge een eigen speler op het gebied van halfgeleiderproductie.
China ontwikkelt via zijn ruimtestation Tiangong en staatsinstituten eigen fabricagetechnieken, met een sterke nadruk op composietmaterialen en structuren voor toekomstige missies. Ook Rusland en Japan hebben in het verleden materiaalexperimenten in microzwaartekracht uitgevoerd, al ligt de nadruk daar meer op wetenschappelijk onderzoek dan op commerciële productie.