Att tillhandahålla nya saker från de saker du har är en del av en astronauts arbetsbeskrivning – tänk att Apollo 13:s besättning reparerar CO ₂ filter för att rädda sina egna liv, eller strandade Mark Watney i The Martian, livnär sig på den röda planeten. Nu pågår planer för att tillverka föremål i omloppsbana, och ESA-astronauten Alexander Gerst menar att detta kan göra stor skillnad för att leva och arbeta i rymden.

Alexander – som har tillbringat knappt ett år i omloppsbana, att bli den andra européen att leda den internationella rymdstationen (ISS) – talade vid ESA:s Workshop on Advanced Manufacturing, som inkluderade en speciell session om ojordisk tillverkning.

Medan plastproducerande 3D-skrivare redan har nått rymden, den virtuella händelsen hörde hur ESA kommer att flyga den första 3D-skrivaren av metall 2022, och forskare planerar också storskalig tillverkning som rymdfarkoster som skriver ut sina egna antenner eller solpaneler efter uppskjutning. Erbjuder ett unikt användarperspektiv från hans 363 dagar i omloppsbana, Alexander beskrev out-of-earth tillverkning som en spelomvandlare för utforskning av rymden.

"Det är förbluffande att tänka på vad ISS faktiskt är, " började Alexander. "Vi byggde den i rymden, flyttar vid 28, 000 km/h, av moduler som tillverkats på olika kontinenter och satts samman i omloppsbana för första gången. Ni som har byggt hus, skulle du kunna tänka dig att göra det utan att kunna gå till Home Depot om du skulle glömma några skruvar eller något?"

Funderar på en fix

Han beskrev ISS som en symbios av människor och robotsystem, med människor som tar med sig de färdigheter som robotar inte har – speciellt när något går fel.

"Till exempel, vi arbetade med mer än 600 olika vetenskapliga experiment under mina Blue Dot och Horizons-uppdrag till ISS, men en jag är särskilt förtjust i är den elektromagnetiska levitatorn, en mikrogravitationsugn för metaller. Det känns lite som min bebis:det var mycket jobb att installera i European Columbus Laboratory, eftersom en bult som säkrade den på plats för lanseringen fastnade under installationen, och hotade hela experimentet.

"Efter mycket analys bestämde vi oss för att såga av bulten, och jag föreslog att jag skulle täcka sågbladet med min rakgel – för att fånga upp metallspån som annars skulle ha flytit omkring farligt.

"Sedan var det en gång en klämma sögs djupt in i en ventilationskanal, och jag var tvungen att tillbringa ett par timmar med att fiska ut den med en krok som jag hade fastnat på en flexibel stång."

Ett annat exempel på improvisation var mer personligt:​​"Jag gjorde faktiskt ett ljus, av glänsande Kapton-tejp och en gammal ficklampa, för min besättningskompis födelsedag. Jag berättade inte för marken om det men det slutade med att vi ställde upp det hela tiden för middag – som ett tecken på att arbetsdagen var över och det var dags för en mental paus. Så småningom fick vi ett samtal från säkerhetskillarna som måste ha sett det på ett foto och sa "var inte förolämpad, men är det möjligt att du har ett ljus där uppe?" Det var en stor och humoristisk komplimang - de trodde att det kunde vara ett riktigt ljus!

"Det visar hur viktiga de små sakerna är i rymden:med ojordisk tillverkning kanske du till och med föreställer dig, på väg till Mars, en besättningsmedlems dotter som gör en dagisskulptur för sin födelsedag, sedan skriver besättningsmedlemmen ut det ombord och sätter upp det i sitt besättningsrum."

Ombord på ISS, saknade föremål kan så småningom skickas upp på nästa leveransraket – vilket inte kommer att vara fallet för interplanetära expeditioner. Alexander sa att ojordisk tillverkning kommer att bli riktigt viktig under långvariga uppdrag borta från vår hemvärld.

Alexander gav en lista över potentiella användningsfall, inklusive stora skrymmande föremål, mekaniska fästen och adaptrar, beläggningar och specialverktyg, och så småningom mat och till och med biologiskt material för medicinska ändamål. Möjligheten att återvinna alla dessa delar för efterföljande omtryck skulle också vara ett stort plus.

3d-utskrivning, från marken till rymden

Vanligtvis skulle själva designarbetet för tillverkning utanför jorden göras på marken – men det är viktigt att de på marken har en korrekt bild av förhållandena i rymden. "De flesta marklag har intrycket att konfigurationen i omloppsbana är känd mycket exakt, men ofta är det inte fallet:poster kan vara föråldrade, och konfigurationer förändras över tiden."

Alexander gav exemplet med sina ryska kollegor som försökte applicera plastbeläggningar för att förnya de inre väggytorna på servicemodulen, men att finna att några av de former som hade producerats inte matchade verkligheten efter två decennier i omloppsbana, och måste modifieras för att passa.

"Den verkliga nyckelaktiveraren är faktiskt en sluten återkopplingsslinga, med ett mät- och skanningssystem för att få exakta data om geometrier och konfigurationer innan du designar verktyget för utskrift, och även som kvalitetskontrollmetod efteråt."

Endast på mycket autonoma uppdrag, som resor till Mars, skulle besättningen sköta hela produktionscykeln själva, utan markhjälp – eller annars under nödsituationer.

Alexander avslutade:"För att lämna jorden är den viktigaste styrande lagen raketekvationen, men för att leva i rymden är den viktigaste Murphys lag – du måste ha inställningen att allt som kan gå fel så småningom kan gå fel. Vi borde vara beredda på det, och rymdtillverkning kommer att hjälpa oss med det. Det är en möjliggörande spelväxling som låter oss gå längre ut i rymden och minska risken. Så jag välkomnar ESA:s ojordiska tillverkningsansträngning för att hjälpa Europa att säkra en ledande position inom denna lovande domän."

ESA:s Advanced Manufacturing-initiativ

"Denna workshop ägde rum som en del av ESA:s Advanced Manufacturing-initiativ, att visa det senaste inom tillverkningsteknik och nå ut till samhället som en möjlighet att diskutera en framtida vision och strategi, " konstaterar Thomas Rohr, rubrik ESA:s material och processer.

"Våra mer än 40 teknikutvecklingsaktiviteter som har startat hittills öppnar nya möjligheter när det gäller designfrihet, strömlinjeformade produktionssteg och minskad kostnad eller ledtid, tillsammans med förbättrad produktprestanda – och att utöka tillverkningsprocessen till rymden utanför jorden är en avgörande del av våra övergripande ansträngningar med stor potential för framtida uppdragsscenarier och kommersiella affärscase."