alt=|vignette|450x450px| Vision d'artiste d'une future base lunaire construite et entretenue via l'impression 3D.
La fabrication dans l'espace, parfois appelée fabrication et assemblage dans l'espace, est la production de biens tangibles au-delà de l'atmosphère terrestre. Elle peut être considérée comme une branche de l'industrie spatiale. Puisqu'à ce jour, la plupart des capacités de production spatiale sont limitées à l'orbite terrestre basse, la littérature anglaise emploie parfois aussi la formule de « fabrication en orbite » (in-orbit manufacturing).
Plusieurs facteurs justifient la fabrication dans l'espace de certains produits :
L'environnement spatial, en particulier les effets de l'apesanteur et du vide, permet la recherche et la production de biens qui autrement ne pourraient pas être fabriqués sur Terre. L'extraction et la transformation des matières premières issues d'autres objets célestes, également appelée utilisation des ressources in situ, pourraient réduire le coût des missions spatiales, par rapport à une situation dans laquelle toutes les ressources nécessaires sont lancées depuis la Terre. Les matières premières pourraient être transportées en orbite terrestre basse où elles pourraient être transformées en marchandises, puis expédiées vers la Terre. Un tel déplacement de la production aurait pour effet de préserver les écosystèmes terrestres. Certaines matières premières de très grande valeur, à l'image de l'or, l'argent ou le platine, pourraient être transportées en orbite terrestre basse pour y être transformées avant envoi vers la Terre, ce qui pourrait rendre économiquement viable l'exploitation minière des astéroïdes.
Histoire
Premières expériences Lors de la mission Soyouz 6 de 1969, des cosmonautes russes ont réalisé les premières expériences de soudage. Trois procédés de soudage différents furent testés à l'aide d'un outil appelé Vulkan. Les tests concernaient le soudage de l'aluminium, du titane ainsi que celui de l'acier inoxydable.
vignette|Cristaux développés par des scientifiques américains sur la station spatiale russe Mir en 1995 : (a) canavaline rhomboèdrale, (b) créatine kinase, (c) lysozyme, (d) catalase bovine, (e) α-amylase porcine, (f) catalase fongique, (g) myoglobine, (h) concanavaline B, (i) thaumatine, (j) apoferritine, (k) et (l) canavaline hexagonale.
La mission Skylab, lancée en , a servi de laboratoire, cette fois-ci aux États-Unis, pour effectuer diverses expériences de fabrication spatiale. La station était équipée d'une installation de traitement des matériaux qui comprenait un four électrique polyvalent, une chambre de culture de cristaux et un canon à faisceau d'électrons. Parmi les expériences à réaliser, figuraient des recherches sur le traitement du métal en fusion, la photographie du comportement de matériaux enflammés en apesanteur, la culture des cristaux, la transformation des alliages non miscibles, le soudage par faisceau d'électrons, et enfin, la formation de sphères à partir de métal en fusion. L'équipage a consacré un total de 32 heures-homme aux sciences des matériaux et à des expérimentations sur la fabrication spatiale au cours de la mission.
Le Space Studies Institute a commença à organiser une conférence semestrielle sur la fabrication spatiale en 1977.
Puis, en 1983, la recherche sur les matériaux en apesanteur en s'est poursuivie dans l'installation Spacelab. Ce module a été mis en orbite à plusieurs reprises à bord de la navette spatiale américaine. La navette a ainsi servi de plate-forme de recherche provisoire avant l'achèvement de la Station spatiale internationale.
vignette|gauche| La Wake Shield Facility déployée par le bras robotique Canadarm de la navette spatiale américaine.
En et , la Wake Shield Facility fut mise en orbite par la navette spatiale américaine. Cette plate-forme de démonstration a utilisé le vide poussé créé dans le sillage orbital pour fabriquer des couches minces d'arséniure de gallium.
Le , le laboratoire Foton-M2 récupérable et sans équipage fut lancé en orbite. Parmi les expériences qui y étaient menées figuraient la culture des cristaux et le comportement du métal en fusion en apesanteur.
La construction de la Station spatiale internationale a permis le déploiement d'installations élargies et améliorées pour effectuer des recherches industrielles. Celles-ci ont déjà conduit à des progrès substantiels en sciences des matériaux et à de nouvelles techniques de fabrication sur Terre, et pourraient mener à des découvertes importantes dans les méthodes de fabrication spatiale. La NASA et testeront le Refabricator à bord de l'ISS, qui est destiné à recycler le plastique pour une utilisation dans la fabrication additive spatiale.
Le Material Science Laboratory Electromagnetic Levitator (MSL-EML) à bord du module Columbus de la station est une installation scientifique qui peut être utilisée pour étudier les propriétés de fusion et de solidification de divers matériaux. Le Fluid Science Laboratory (FSL) est quant à lui utilisé pour étudier le comportement des liquides en micropesanteur.
Vague du New Space
L'idée d'utiliser l'environnement spatial pour la fabrication de produits à haute valeur ajoutée difficiles voire impossibles à produire à la surface de la Terre est aussi ancienne que le vol spatial et bien que des expériences ont été menées par la plupart des acteurs du milieu, aucun projet d'usine 0-g ne s'est avéré suffisamment viable, tant sur le plan financier que technologique, pour aboutir à une réalisation concrète. Ainsi par exemple, le projet de Space Industries est resté sur le papier. Cependant, depuis l'émergence du NewSpace et l'abaissement des coûts de mise sur orbite, différents projets sont à nouveau proposés, soit des usines 0-g, soit seulement des capsules de rentrée.
En 2020, la NASA attribue 142 millions de dollars à Maxar Technologies, un constructeur de satellites, pour mettre au point un véritable système d'assemblage robotique en orbite basse, dédié à l'assemblage de certaines pièces d'engin.
Airbus prévoit, avec l'Agence spatiale européenne, d'envoyer et de tester les premiers métaux d'impression 3D dans l'espace à l'ISS dans un an à partir de 2022, et de débuter de premières opérations de fabrication spatiale dans trois à quatre ans à partir de 2022. Le projet PERIOD en question est centré sur l'assemblage et la fabrication de satellites en orbite (réflecteurs d'antenne, modules, charges utiles).
En , la start-up luxembourgeoise Space Cargo Unlimited signe un contrat de développement avec Thales Alenia Space pour développer un cargo spatial qui servira d'usine robotisée, pour fabriquer de nouveaux alliages, médicaments ou produits agricoles.
À plus long terme, le fondateur d'Amazon Jeff Bezos déclare vouloir déplacer dans l'espace toutes les industries polluantes.
Contraintes techniques
Propriétés des matériaux Les propriétés des matériaux varient considérablement une fois dans l'espace par rapport aux mêmes matériaux sur Terre. Ces différences peuvent être exploitées dans le cadre de nouvelles techniques de fabrication.
droite|vignette| Comparaison de la croissance des cristaux d'insuline dans l'espace (à gauche) et sur Terre (à droite).
L'apesanteur permet de contrôler la convection dans les liquides ou les gaz et d'éliminer la sédimentation. Le mélange par diffusion permet par ailleurs à des matériaux non miscibles d'être mélangés. L'environnement permet une croissance accrue des cristaux, qui sont aussi plus gros et de meilleure qualité. Le vide spatial permet la création de matériaux et d'objets très purs. Le dépôt en phase vapeur peut être utilisé pour construire des matériaux couche par couche, sans défauts. La tension superficielle fait que les liquides en microgravité forment des sphères parfaitement rondes et de taille constante. L'espace peut aisément fournir des températures extrêmes. La lumière du soleil peut être utilisée pour faire fondre les matériaux, tandis que les objets maintenus à l'ombre perpétuelle sont exposés à des températures proches du zéro absolu. Le gradient de température peut être exploité pour produire des matériaux vitreux.
Transformation des matériaux Pour la plupart des applications industrielles, les matériaux doivent être traités d'une manière précise. Les minéraux doivent être raffinés pour extraire des métaux spécifiques, et les composés organiques volatils devront être purifiés. Idéalement, ces matières premières sont livrées au site de traitement à bas coût (ce qui tient au délai d'arrivée, à l'énergie consommée par la propulsion et à l'extraction. Les minerais peuvent être obtenus à partir d'astéroïdes, de la surface lunaire ou d'un corps planétaire. Les composés volatils pourraient être obtenus à partir d'une comète, de chondrite carbonée ou d'astéroïdes de type C, ou à partir des lunes de Mars ou d'autres planètes. Il pourrait également s'avérer possible d'extraire de l'hydrogène sous forme de glace d'eau ou de minéraux hydratés à partir de pièges froids aux pôles de la Lune.
À moins que les sites de traitement des matériaux et de fabrication ne soient situés au même endroit que les installations d'extraction des ressources, les matières premières devraient être déplacées dans le système solaire. Plusieurs moyens sont proposés pour assurer la propulsion, notamment des voiles solaires, des voiles électriques, des voiles magnétiques, des moteurs ioniques, des propulseurs électrothermiques à micro-ondes ou des catapultes électromagnétiques.
Une fois arrivés à l'installation de traitement des matériaux, les matériaux entrants devront être capturés par certains moyens. Des fusées de manœuvre attachées à la charge pourraient garer le contenu sur une orbite correspondante. Alternativement, si la charge se déplace à un faible delta-v par rapport à la destination, elle peut être capturée au moyen d'un capteur de masse. Il pourrait s'agir d'un grand filet flexible ou d'une structure gonflable qui transférerait l'élan de la masse à la plus grande installation. Une fois en place, les matériaux peuvent être mis en place par des moyens mécaniques ou au moyen de petits propulseurs.
Les matériaux peuvent être utilisés pour la fabrication soit sous leur forme brute, soit en les transformant pour en extraire les éléments constitutifs. Les techniques de traitement comprennent diverses méthodes chimiques, thermiques, électrolytiques et magnétiques pour la séparation. À court terme, des méthodes relativement simples peuvent être utilisées pour extraire l'aluminium, le fer, l'oxygène et le silicium de sources lunaires et d'astéroïdes. Les éléments moins concentrés nécessiteront probablement des installations de traitement plus avancées, qui devront peut-être attendre qu'une infrastructure de fabrication spatiale soit entièrement développée.
Certains procédés chimiques nécessitent une source d'hydrogène pour la production de mélanges d'eau et d'acide. L'hydrogène gazeux peut également être utilisé pour extraire l'oxygène du régolithe lunaire. Ainsi, une source facilement disponible de composés volatils utiles est un facteur positif dans le développement de la fabrication spatiale. Alternativement, l'oxygène peut être libéré du régolithe lunaire sans réutiliser les matériaux importés en chauffant le régolithe à 2 500 °C sous vide. Cela a été testé sur Terre avec un simulant de régolithe lunaire dans une chambre à vide. Jusqu'à 20 % de l'échantillon a été libéré sous forme d'oxygène libre. Ce processus est très efficace en termes de matériaux importés utilisés par lot, mais n'est pas le processus le plus efficace en énergie par kilogramme d'oxygène.