Fazendo coisas no espaço: a fabricação fora da terra está apenas começando

cristais de proteína e vírus

Cristais de proteínas e vírus, muitos dos quais foram cultivados no ônibus espacial dos EUA ou na estação espacial russa Mir. Os cristais variam em tamanho de algumas centenas de mícrons ao longo de sua borda a mais de um milímetro. Os cristais cultivados em ambientes de microgravidade podem ficar maiores e mais puros do que os cristais da Terra, tornando mais fácil para os cientistas analisarem seus componentes subjacentes. (Crédito da imagem: Alex McPherson, University of California, Irvine)



O espaço é um lugar perigoso para os humanos: microgravidade faz nossos fluidos vagarem e enfraquece os músculos, a radiação rasga o DNA e o vácuo severo do lado de fora é uma ameaça sempre presente.

Mas para materiais que mostram uma resistência incrível, transmitem informações quase sem perda, formam cristais enormes ou até mesmo crescem em órgãos, a dureza do espaço pode ser a zona de construção perfeita.





À medida que o custo do voo espacial diminui, mais desses materiais podem se tornar mais econômicos para fazer ou estudar no espaço. E logo, mais e mais pessoas podem estar carregando objetos construídos fora do planeta. [As 10 coisas mais estranhas do espaço]

'Geralmente fazemos coisas submetendo-as a um ambiente diferente', disse Andrew Rush, presidente e CEO da Made In Space, uma empresa de manufatura no espaço. “Fazemos comida cozinhando-a no fogo, aquecendo-a e causando reações químicas. Produzimos aço aquecendo as coisas em alta temperatura e talvez, dependendo do aço, [em um] ambiente de alta pressão. Podemos apagar as coisas; podemos tornar as coisas frias para fazer materiais diferentes ou melhorar esses materiais.



'Realmente, os materiais habilitados para o espaço são apenas outra versão disso, mas em vez de jogar algo em uma fornalha e aquecê-lo a 1.000 graus Fahrenheit [540 graus Celsius] ou algo assim, nós o levamos para o espaço', disse ele ao Space.com.

No espaço, a microgravidade permite que os materiais cresçam sem encontrar paredes e permite que eles se misturem uniformemente e se fixem sem os suportes tradicionais. E um vácuo ultra-alto próximo ajuda as coisas a se formarem sem impurezas.



As fibras ZBLAN processadas no solo têm uma estrutura semelhante a uma casca de árvore do lado de fora, enquanto o ZBLAN feito no espaço não

As fibras ZBLAN processadas no solo têm uma estrutura semelhante a uma casca de árvore do lado de fora, enquanto o ZBLAN feito no espaço não apresenta cristalização.(Crédito da imagem: NASA)

Queda livre

A Estação Espacial Internacional está caindo a uma taxa constante ao redor da Terra, o que todos a bordo sentem como uma falta de gravidade; na estação, você está sempre em queda livre. Esse ambiente, chamado microgravidade, é útil para o cultivo de coisas que precisam se expandir uniformemente em todas as direções ou evitar a contaminação ao tocar nas paredes de um gabinete.

A microgravidade é de particular interesse para as pessoas que criam materiais para dispositivos miniaturizados e computadores, disseram os pesquisadores à Space.com.

'A demanda por soluções de alta tecnologia que requerem resoluções mais altas, processadores mais rápidos, mais largura de banda, maior precisão, materiais novos, ligas exclusivas, processos inovadores, maior eficiência energética, mais processos em um volume menor e ferramentas mais sofisticadas em geral estão empurrando materiais e processos para a fabricação a ponto de apresentar defeitos na matéria de nível atômico e molecular ', disse Lynn Harper, líder de estudos integrativos do escritório de parcerias do Portal Espacial no Ames Research Center da NASA, na Califórnia.

Construir em microgravidade pode reduzir esses defeitos. O primeiro grande candidato a ganhar dinheiro com algo feito no espaço hoje, um tipo especial de cabo de fibra óptica chamado ZBLAN, é um bom exemplo: quando fabricado em microgravidade, o cabo fino tem menos probabilidade de desenvolver cristais minúsculos que aumentam a perda de sinal. Quando construído sem essas falhas, o cabo pode ser muito melhor na transmissão de luz por longas distâncias, como para telecomunicações, lasers e internet de alta velocidade.

A fibra é leve o suficiente - e pode exigir um preço alto o suficiente - para que o envio de materiais para fabricá-la no espaço possa ser compensado comercialmente. A Made In Space enviou uma máquina do tamanho de micro-ondas para a estação espacial em dezembro para testar fazendo pelo menos 300 pés (100 metros) de cabo, e outra companhia também está desenvolvendo uma carga útil de teste de estação espacial. (Os pesquisadores mencionaram um terceiro com tecnologia a caminho também.)

'Um dos desafios para ganhar dinheiro com a fabricação do espaço é que ainda é muito caro lançar coisas para o espaço', disse Alex MacDonald, consultor econômico sênior do Escritório do Administrador da Sede da NASA à Space.com. - Você ainda está lidando com milhares de dólares por quilo. Então, tudo o que você vai fazer no espaço e enviar para a Terra tem que ser incrivelmente valioso, mas também disponível por unidade de massa. '

'A razão pela qual eles estão fazendo isso é o enorme pagamento, que seria em bilhões de dólares se você pudesse desenhar a fibra pelo menos uma ordem de magnitude melhor do que a sílica', Dennis Tucker, um cientista de materiais no Marshall Space Flight Center da NASA no Alabama, que pesquisa o vidro ZBLAN há décadas, disse à Space.com. 'Há muitas aplicações potenciais se pudermos fazer isso. Amplificadores de fibra, há lasers para corte, perfuração e cirurgia ... imagem infravermelha, infravermelho remoto. '

'Eu gostaria apenas que se transformasse na primeira indústria real baseada no espaço', acrescentou.

Como o custo de enviar coisas para o espaço continua diminuindo, os experimentadores podem imaginar uma série de outros cenários em que o ambiente da estação espacial poderia ser fundamental para a fabricação.

Por exemplo, uma substância chamada nitreto de gálio, usada para fazer LEDs, é difícil de solidificar em grandes quantidades de uma vez porque suas duas moléculas constituintes nem sempre se ligam perfeitamente em ordem, levando a defeitos. Reduzir o movimento do fluido derretido à medida que o fluido mais quente e menos denso sobe, o que ocorre por causa da gravidade, pode diminuir esses defeitos - assim como impedir que a substância altamente reativa toque as laterais de seu recipiente, de acordo com Randy Giles, cientista-chefe da o Centro para o Avanço da Ciência no Espaço. Algum dia, substâncias como essa poderiam se beneficiar da criação no espaço.

O forno de levitação eletrostática, um dispositivo que a Agência de Exploração Aeroespacial do Japão opera na estação espacial, é um exemplo do tipo de configuração que poderia evitar um contêiner por completo, disse Giles. A fornalha pode derreter e solidificar materiais enquanto os levita no lugar usando eletrodos.

Experimentos realizados anos atrás usando os orbitadores de ônibus espaciais agora aposentados da NASA também forneceram motivos para otimismo. Os pesquisadores puxaram um disco de aço inoxidável chamado Wake Shield Facility atrás do ônibus espacial, criando um vácuo em seu rastro que é 1.000 a 10.000 vezes mais vazio do que o que é possível na Terra. Os experimentadores usaram esse aspirador mais limpo do espaço sideral para fazer amostras mais finas e puras de materiais como semicondutores. (Uma grande proporção de componentes semicondutores feitos no solo acaba sendo rejeitada por causa de impurezas que interrompem a matriz de átomos.)

Como disse Rush: 'Se você tiver um fiapo no chip do computador, ele não funcionará muito bem'.

Um local estável

A microgravidade oferece um ambiente promissor para a fabricação, pois está livre da agitação da convecção que afunda o material mais pesado em uma solução. Na microgravidade, os cristais podem ficar maiores; em um experimento, cristais feitos de proteínas cresceu para 6 milímetros cúbicos, em média, em comparação com 0,5 milímetros cúbicos aqui na Terra. Uma vez crescidos, esses cristais podem ser analisados ​​para determinar as estruturas 3D das proteínas, o que pode ajudar a informar novas estratégias para a descoberta de drogas.

O cultivo de outros cristais, como aqueles usados ​​para fabricar drogas ou aqueles que podem detectar raios gama e nêutrons , no espaço para que sejam maiores e mais puros pode tornar o material resultante de maior qualidade.

O mesmo se aplica aos metais. Embora metais feitos de um único elemento, como o ferro, possam ser úteis, eles podem ganhar força, flexibilidade ou outras características especiais quando incorporar outros elementos . Por exemplo, a integração do carbono e de pequenas quantidades de outros metais com o ferro cria um aço muito mais forte e mais duro. Os metais que são uma combinação de elementos são chamados de ligas e alguns podem se formar apenas em um ambiente de baixa gravidade.

'Porque você não tem estratificação como resultado de diferenças de densidade - coisas pesadas não vão para o fundo, e coisas leves [não] vão para cima - você pode criar ligas que são uma mistura homogênea de metais ou minerais que normalmente não seriam capazes de ser manufaturados em um tamanho tão grande no solo ', disse Harper. 'E, de fato, você pode ter alguns únicos que não produziriam uma liga sob quaisquer condições no solo.'

Vidros metálicos

Vidros metálicos não quebram no frio extremo e, portanto, podem ser bons materiais para as engrenagens de robôs que operam em planetas gelados ou no espaço.(Crédito da imagem: NASA / JPL-Caltech)

Como os materiais em microgravidade não cristalizam tão rapidamente - como o cabo ZBLAN - você pode até persuadir substâncias como metal em formas amorfas semelhantes a vidro. Esses vidros metálicos podem ser moldados em temperaturas mais baixas do que os metais comuns, e sua estrutura não cristalizada os torna extremamente fortes e resistentes à corrosão. (Um vidro metálico chamado Metal líquido - desenvolvido pelo Laboratório de Propulsão a Jato da NASA, o Departamento de Energia dos EUA e o Instituto de Tecnologia da Califórnia - mistura três ou mais metais para ganhar o dobro da resistência do titânio.) Enquanto algumas ligas de metal e vidros podem ser feitos na Terra, outros podem ser desenvolvidos - em grandes quantidades, pelo menos - apenas no abraço da microgravidade.

Essas ligas e vidros metálicos poderia algum dia formar fortes escudos de destroços de naves espaciais facilmente moldáveis, painéis, espelhos e muito mais, além de contribuir para a fabricação na Terra, dizem os especialistas.

O espaço fornece essa zona de construção estranha de dois gumes: permite que os pesquisadores testem os materiais para ver como eles resistem a um ambiente hostil com radiação poderosa e mudanças extremas de temperatura, mas também fornece um local particularmente calmo, em termos de gravidade, em comparação com a Terra.

'O espaço como o conhecemos está focado em ser um recurso; ele nos fornece comunicações GPS e observação da Terra, a valiosa mercadoria que retorna em forma digital: dados ', disse Giles ao Space.com. 'Considerando que os experimentos de materiais que são feitos no ambiente de microgravidade [estão] trazendo dados que permitem e informam as pessoas sobre os comportamentos e propriedades dos materiais, pois podem ser importantes para aplicações espaciais, também é como uma espécie de tremor severo - e - teste de cozimento que pode ser feito em materiais que terão aplicações na Terra.

“Além disso, ao remover a convecção, a flutuabilidade e a sedimentação, os materiais que você traz de volta podem ser como seu padrão-ouro com o qual você compara e determina o quão viável é obter uma determinada propriedade desejada”, acrescentou.

Crescimento de órgãos

Os humanos não se dão bem no espaço com o passar do tempo, mas pode ser um lugar ideal para cultivar partes deles - órgãos, é claro. As células podem crescer em redes maiores sem a gravidade puxando-as para baixo em seu recipiente, como aconteceria na Terra.

'A ideia de como a microgravidade pode ajudar as células a crescer já existe há muito tempo; na verdade, uma das ferramentas dominantes que a pesquisa médico-farmacêutica usa hoje, a nave de parede giratória, foi desenvolvida como parte de um esforço do ônibus espacial dos anos 80 na NASA ', disse MacDonald.

Esse navio foi desenvolvido para simular um aspecto da microgravidade na Terra, girando continuamente na velocidade certa para conter a lenta sedimentação de uma substância através de uma solução nutritiva.

'As células não são inteligentes, mas são adaptáveis', disse Harper. 'E se eles tocam um lado ou uma superfície, isso lhes transmite uma mensagem que é biologicamente enganosa.'

As células tumorais que crescem em grânulos de microtransportadores em um biorreator da NASA na Terra foram capazes de crescer em três dimensões ao longo de 56 dias por causa de seu recipiente

As células tumorais que crescem em esferas microtransportadoras em um biorreator da NASA na Terra foram capazes de crescer em três dimensões ao longo de 56 dias por causa das paredes rotativas de seu contêiner. O cultivo de células no espaço oferece um benefício semelhante.(Crédito da imagem: Jearne Becker / University of South Florida)

Mas quanto maior fica uma amostra, mais energia você precisa gastar para evitar que suas células atinjam o fundo - uma perturbação que pode quebrar colônias em crescimento. Em queda livre no espaço, essas células podem formar tecidos muito maiores. Alguns trabalhos atuais sobre o cultivo de tecido no espaço se concentram em garantir que os tecidos projetados tenham um suprimento de sangue adequado; caso contrário, eles morrerão de dentro para fora. A NASA está atualmente realizando um desafio de tecido vascular que oferece US $ 500.000 em prêmios para equipes de pesquisadores para desenvolver tecidos vascularizados de coração, pulmão, rim, fígado e músculos com mais de 0,4 polegadas (1 centímetro) de espessura, nos quais a maior parte do tecido pode sobreviver por 30 dias - um feito atualmente impossível na Terra. (Você pode ler mais detalhes sobre o desafio aqui .)

Embora seja certamente mais especulativo, esta é na verdade outra razão plausível para as empresas privadas entrarem na indústria espacial, disse MacDonald.

'Órgãos, é claro, têm um valor incrivelmente alto, tanto em sua capacidade de salvar vidas, mas também em seu custo em termos de economia médica', disse MacDonald. 'Você começou a ver as empresas começarem a experimentar - até agora, não na estação espacial, mas em voos parabólicos.'

É difícil imaginar órgãos em crescimento rotineiro no espaço, mas esse é um dos muitos caminhos possíveis para fazer dinheiro, pois fica mais barato colocar as coisas em órbita.

'Sabemos que não conhecemos todas as aplicações do ambiente espacial para desenvolvimento de produtos, processamento de materiais, acabamento de produtos', disse Rush. “E não o exploramos; não sondamos o fundo das possibilidades ali, por falta de acesso e alto custo. Mas agora estamos meio que virando a esquina nisso. Eu acho que é um momento muito, muito emocionante para realmente explorar isso. '

A empresa Alpha Space recentemente enviou a plataforma MISSE-FF para a Estação Espacial Internacional para testar diferentes materiais

A empresa Alpha Space recentemente enviou a plataforma MISSE-FF para a Estação Espacial Internacional para testar a durabilidade de diferentes materiais quando confrontados com a dureza do espaço.(Crédito da imagem: Alpha Space)

Construindo para o espaço

Outra fonte de entusiasmo para a fabricação no espaço é construir coisas para o espaço que nunca serão restringidas pela força da gravidade da Terra - ou pelo impulso esmagador de um lançamento de foguete.

A Estação Espacial Internacional já abriga impressoras 3D, que o Made In Space tem usado para produzir ferramentas direto na estação espacial. Mas a visão da empresa é muito mais grandiosa: estruturas em grande escala, como telescópios espaciais ou painéis solares, podem ser impressas no espaço em vez de dobradas para serem lançadas em órbita. E visitantes de outros mundos poderão algum dia usar os recursos disponíveis localmente para imprimir abrigos e outros componentes, viajando apenas com as plantas digitais.

Construir no espaço exigirá uma compreensão sólida de como os materiais reagem no espaço e como obter matérias-primas, bem como repensar o que pode ser usado em uma impressora 3D ou como base para materiais feitos no espaço, disseram pesquisadores à Space.com. .

'Para mim, a parte empolgante é olhar para tudo ao meu redor como matéria-prima potencial para fazer coisas novas, e essa mentalidade e essa mudança de paradigma têm enormes implicações', disse Niki Werkheiser, gerente de manufatura no espaço da NASA, ao Space.com. “Quer se trate de recursos in situ, nossa comida, espuma, sacolas plásticas, o que quer que esteja ao nosso redor, vou olhar para isso como posso reutilizar ou reciclar? E requer combinação e compreensão não apenas das capacidades da máquina, mas das qualidades e propriedades dos materiais para o que você precisa fazer. '

Mas, quer a pesquisa de materiais baseada na microgravidade busque construir para a Terra ou para o espaço, esta área de investigação está fazendo coisas estranhas e maravilhosas que nunca foram vistas no solo nessas quantidades ou dessa qualidade.

'Há tanto potencial para fazer coisas nesta área agora que não podíamos fazer antes, e não são apenas sonhos e ideias agora - está acontecendo', disse MacDonald. 'Existem instalações em órbita que você pode usar e pensar em melhorar, e pode pensar em desenvolver suas próprias instalações. É um pouco como os pequenos satélites eram há 10 anos. As pessoas perceberam que era muito empolgante e estávamos começando a fazer experimentos, mas acho que as coisas realmente empolgantes ainda estão por vir. '

Envie um e-mail para Sarah Lewin em slewin@space.com ou siga-a @SarahExplains . Siga-nos @Spacedotcom , Facebook e Google+ . Artigo original sobre Space.com .