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Les usines du futur pourraient flotter dans l'espace

2021

L'été dernier, un avion est entré dans une ascension pesante et a plongé à 30 000 pieds au-dessus du golfe du Mexique. L’objectif n’était pas la recherche de sensations fortes, mais quelque chose de plus audacieux: pendant environ 25 secondes à la fois, le vol parabolique a soulevé les occupants dans un état d’apesanteur simulé, permettant à un imprimeur de haute technologie de cracher des cellules souches cardiaques en deux. - structure simplifiée et chambrée du cœur d'un nourrisson.

Aussi impressionnant que cela puisse être, ce n'est qu'une brique sur la route menant à un objectif encore plus audacieux. Les cadres de nScrypt (les fabricants de l’imprimante de cellules souches), de Bioficial Organs (le fournisseur d’encre) et de Techshot (qui a inventé l’expérience pour le cœur) prévoient d’imprimer des patchs de cœur palpitant à bord de la Station spatiale internationale d’ici 2019. L’imprimante volera sur une fusée commerciale.

Les entreprises privées de vols spatiaux telles que Blue Origin et SpaceX ont été critiquées en tant que projets de vanité pour les ploutocrates surfant sur les investissements des contribuables. Mais l'émergence de ces sociétés a entraîné une flambée des prix pour l'envoi de biens et d'équipements dans l'espace. Aujourd'hui, le lancement d'un kilo coûte environ 5 000 dollars, contre 30 000 dollars à l'époque de la navette spatiale. Ainsi, un nombre croissant d’entrepreneurs et de chercheurs cherchent à utiliser cet accès relativement bon marché pour exploiter les qualités uniques d’une orbite terrestre basse - notamment son vide, sa microgravité, son énergie solaire illimitée et ses températures extrêmes - pour la fabrication. Leurs expériences suscitent déjà des innovations en médecine, en technologie et en science des matériaux. À terme, si elle décolle, la fabrication orbitale pourrait révolutionner notre façon de faire les choses.

Un greffé du coeur peut attendre des mois avant de recevoir un nouveau téléscripteur. Une fois qu'il en aura reçu un, il devra prendre des immunosuppresseurs pour le reste de sa vie, afin que son corps ne rejette pas l'organe étranger. Un cœur imprimé à partir des cellules souches du patient pourrait l'atteindre plus rapidement et réduire les risques de rejet immunitaire. Il pourrait également être parfaitement adapté aux dimensions de son cœur d'origine.

Mais il s’avère que la gravité est un réel problème pour imprimer les cœurs sur Terre. Pour que les bio-liens imprimables se développent, le bouillon de cellules souches et de nutriments doit avoir une consistance aqueuse pour que les cellules soient suffisamment mobiles pour se lier ensemble à un tissu cardiaque en bonne santé. En raison de cette consistance aqueuse, pour développer un cœur sur Terre, vous avez besoin d'une structure de soutien.

"Si vous pensez au cœur, vous parlez vraiment de quatre grands vides ouverts enveloppés de muscle, déclare Eugene Boland, scientifique en chef chez Techshot. Malheureusement, les scientifiques n'ont pas conçu d'échafaudage pour la culture de cellules souches qui peuvent ensuite être supprimées ou dissoutes sans endommager l'organe naissant.

En imprimant des organes dans l’espace, Techshot pense pouvoir faire croître des cœurs entiers sans utiliser d’échafaudage.

"Si nous essayons de le faire sur Terre, cela aurait l'air joli pendant environ une seconde et ensuite tout fondrait sur la table, dit Boland." On dirait que vous venez de verser un moule Jell-O et d'essayer de servir immédiatement ce serait glisser sur votre assiette dans ce gâchis gélatineux. "

Mais la microgravité aide le cœur à conserver sa forme sans échafaudage. C'est en partie parce que la faible gravité rend l'impression des formes 3D plus directe. Sur Terre, les objets 3D complexes tels qu'un cœur de modèle doivent être imprimés sous forme de couches 2D superposées les unes sur les autres au cours d'un processus fastidieux. Le PDG de nScrypt, Kenneth Church, appelle cela "2 ans et demi". L'impression en microgravité permet de cracher l'objet en véritable 3D, en améliorant la vitesse jusqu'à 100 fois.

Au cours du vol parabolique de juillet, la première structure cardiaque imprimée par nScrypt et Techshot a perdu environ la moitié de sa hauteur en l'espace d'une minute à la suite de l'impression, une fois que la gravité a été rétablie dans l'avion. L'apesanteur à bord de la Station spatiale internationale devrait permettre aux cellules souches de conserver leur forme lorsqu'elles se développent dans le tissu d'un cœur en fonctionnement. Boland estime que les organes fabriqués dans l'espace pourraient être prêts à revenir sur Terre environ 45 jours après le début du processus de culture.

Church considère le projet comme un moyen de dépasser le battage publicitaire et la déception de l’impression 3D. "Les gens en ont assez de voir les chiffres de Yoda imprimés, dit-il. Ils disent:" Tu m'as promis un cœur. Où est-ce?' Et ce que je vais vous dire, c'est: 'C'est dans l'espace.' "

Ioana Cozmuta, physicienne au Space Portal Office de la NASA, a examiné des centaines de technologies liées à l'espace. Son rôle est de rechercher et d'identifier des partenaires potentiels souhaitant faire des affaires dans l'espace. «Mon objectif est de créer des exemples de réussite pour des espaces commerciaux», dit-elle. "Mais je lutte avec le battage médiatique."

Une partie du travail de Cozmuta consiste à s'inquiéter des dangers de déception inhérents à un domaine aussi glamour mais risqué. De nombreuses explosions montrent que même l'entrepreneur de cygnes noirs Elon Musk n'est pas à l'abri des erreurs coûteuses qui émergent des complexités hideuses de la science de la fusée. Ou considérons les prévisions de Richard Branson pour 2008, selon lesquelles les activités de tourisme spatial débuteraient d’ici mi-2010. Et puis Noël 2013. Puis Noël 2014, une échéance torpillée par un accident fatal lors d'un vol d'essai. L'espace est difficile, même pour les hommes d'affaires les plus intelligents et les plus riches de la planète. Après avoir évalué des centaines d'entreprises pour le portail spatial de la NASA, Cozmuta doit faire attention aux cadres affirmant avoir mis au point une idée d'entreprise spatiale passionnante, même si le plan est rempli de failles.

FOMS est une société du sud de la Californie qui a obtenu des fonds pour commencer à fabriquer des équipements sur l’ISS l’année prochaine - et ce, en partie, en maintenant le projet sur une base économique solide. Dmitry Starodubov, scientifique en chef du FOMS, a décidé de transmettre l'idée des métaux rares, tels que le platine, destinés à l'extraction spatiale, qui se vend actuellement à environ 30 000 dollars le kilogramme. À son avis, cela ne suffit pas encore pour rentabiliser l’exploitation spatiale. "Même si notre lune était faite de platine pur, notre modèle montre qu'il n'est pas commercialement possible d'extraire du platine sur la lune et de le ramener sur Terre, dit-il.

Au lieu de cela, FOMS s’attache à quelque chose de plus léger et de plus précieux par livre: un câble à fibres optiques exotique. Un câble de fibre optique typique, du type qui a probablement contribué à amener ces mots à votre écran, se vend entre 3 000 et 5 000 dollars par kilogramme. Mais un câble à fibres optiques exotique capable de transmettre plus de données ou de rendre la transmission de données moins chère, car il nécessite moins d’énergie? Le type le plus cher peut coûter jusqu'à quelques millions de dollars par kilo. C'est le type de rapport valeur / poids qui peut justifier les coûts et les risques liés à la fabrication d'objets dans l'espace.

Les fibres optiques exotiques, telles que les initiales ZBLAN, peuvent être fabriquées sur Terre, mais ce n’est pas facile. Le processus normal de fabrication du ZBLAN implique de chauffer une goutte, ou une "préforme de ce verre spécial à une température supérieure à 300 degrés Celsius, puis de le tirer vers le bas, comme une longue chaîne de chewing-gum, dans une tour de chute généralement de 10 à 20 mètres de hauteur Cependant, la taille du blob blanc chaud limite la longueur du câble obtenu: fibres atteignant environ 700 mètres de long. Idéalement, les entreprises souhaitent des segments plus longs, car les points de connexion entraînent une perte de signal. En outre, la gravité provoque la sédimentation dans la structure cristalline du ZBLAN, créant des défauts qui réduisent le signal.

C’est la raison pour laquelle Starodubov s’intéresse à l’acheminement de ZBLAN et d’autres composites sur l’ISS, avec un produit d’une qualité et d’une quantité bien supérieures à celles possibles sur Terre. Il a aidé à créer un prototype qui utilise l'équivalent volumineux d'une tour de chute qui enroule un câble à fibres optiques comme un tuyau d'arrosage. "Il peut théoriquement parcourir des centaines de kilomètres en 24 heures", explique Cozmuta. Et sans gravité, il n'y a pas de cristallisation gênante.

Bien que ZBLAN soit difficile à fabriquer sur Terre, les chercheurs sont intrigués par cette matière, car elle peut transmettre un spectre de lumière beaucoup plus large que la silice, notamment les ultraviolets et les infrarouges profonds. Cela pourrait être utile pour créer des technologies futuristes telles que des lasers chirurgicaux à ultraviolets, des outils de fabrication infrarouges sans danger pour les yeux et de meilleures mesures de lutte contre les missiles à recherche de chaleur. Et cela pourrait aussi rendre nos tuyaux à large bande "plus gros"; Cozmuta estime que, comparé au câble à fibres optiques existant à base de silice, un ZBLAN spatial pourrait entraîner une perte d'intensité de signal environ 100 fois moins importante au fur et à mesure de sa descente dans les tuyaux. Alternativement, cela pourrait contribuer à rendre le processus d'envoi de données moins coûteux, car la même quantité de données peut être envoyée sur une distance plus longue, en consommant moins d'énergie et en nécessitant un équipement de transmission moins coûteux.

En ce qui concerne le retour des bobines de câble sur Terre? "Vous pouvez les ramener sur SpaceX, dit Cozmuta.

Certains matériaux fabriqués dans l'espace n'auront pas besoin de revenir sur Terre pour nous aider. Considérez un composé appelé arséniure de gallium, qui coûte environ 5 000 dollars par tranche de 8 pouces et génère beaucoup de sous-produits toxiques lors de la fabrication (bonjour l'arsenic!). Mais cela donne d'excellents panneaux solaires, convertissant environ 40% de la lumière qui la frappe en énergie, par rapport à l'efficacité de 15 à 20% des panneaux à base de silicium qui sont couramment installés ici sur Terre.

Le scientifique des matériaux de l'université de Houston, Alex Ignatiev, a d'abord fabriqué un semi-conducteur à l'arséniure de gallium dans le vide de l'espace dans les années 1990, à bord d'un engin de la NASA appelé Wake-Shield Facility. Le semi-conducteur fabriqué dans l’espace était 10 000 fois supérieur en qualité que celui fabriqué sur Terre. En effet, l'oxygène atomique et la qualité du vide dans l'espace permettent au composé de se développer proprement en couches d'un atome de haut, empilées les unes sur les autres en centaines ou en milliers de couches, sans aucune distorsion. L'absence de ces distorsions augmente son efficacité solaire; en théorie, l'arséniure de gallium sans défaut pourrait produire de l'énergie solaire avec une efficacité atteignant 60%.

Ignatiev envisage la mise en orbite de panneaux d'arséniure de gallium d'un kilomètre de large, captant l'énergie du soleil et la renvoyant vers la Terre via des micro-ondes, à l'instar des parcs solaires proposés par le Japon et mis en démonstration en 2015. Plutôt que de créer des panneaux fragiles sur Terre et de faire des explosions Ignatiev souhaite assembler les cellules solaires dans l’espace afin de réduire considérablement les coûts.

"Lorsque vous êtes dans l'espace, vous pouvez entrer sur l'orbite géosynchrone afin de toujours pointer vers le soleil, puis vous diriger vers un endroit sur Terre, a-t-il déclaré. Les récepteurs de type maille sur Terre recevraient les signaux à micro-ondes, qui être suffisamment diffus pour ne pas nuire aux avions, aux oiseaux, aux cultures ou au bétail.

Personne ne veut voir l'orbite terrestre basse se transformer en décharge de déchets toxiques flottante. Heureusement, l’espace possède des capacités uniques pour éliminer les résidus nocifs. En dehors de la protection de l'atmosphère de notre planète, le rayonnement ultraviolet du soleil sépare des molécules dangereuses et les composants se dispersent sans danger. "Notre planète est un système fermé, tandis que l'espace est un environnement ouvert très caustique pour la plupart des molécules", déclare Ignatiev. "Ils vont se briser ou s'évaporer sous l'environnement de vide de l'espace."

Cette idée de déplacer la production toxique de la planète fait écho aux commentaires quelque peu cryptiques d'Amazon.com et du fondateur de Blue Origin, Jeff Bezos, en juin puis en septembre. "Vous allez dans l'espace pour sauver la Terre", a-t-il déclaré. Il a ajouté que, pour des raisons environnementales, nous devons construire "de gigantesques usines de puces dans lesquelles les tâches délicates consistant à fabriquer des éléments tels que des semi-conducteurs seraient complètement délogées de la planète.

Et malgré la beauté étincelante de nos gadgets électroniques, fabriquer des puces d’ordinateurs est vraiment sale. Selon les calculs de Cozmuta, la fabrication d'un seul circuit intégré de 12 pouces nécessite 2 200 gallons d'eau, utilisée pour nettoyer et refroidir la puce. En 2015, nous en avons fabriqué 900 milliards. Malgré les efforts de traitement des eaux usées, les sociétés de semi-conducteurs américaines ont été citées pour 10 000 violations de l'environnement entre 2003 et 2013. Mais qui a besoin d'eau si vous utilisez le vide de congélation de l'espace comme liquide de refroidissement?

Si attrayantes que soient les perspectives, la production extra-mondiale prendra d’énormes quantités d’argent et une tolérance au risque. Les pertes de vies et les coûts énormes sont quasiment garantis. Mais cela ne signifie pas que cela ne peut pas fonctionner. Après le succès de l'impression cardiaque en apesanteur, Boland de Techshot a pris le temps de célébrer cet événement. "Nous étions surpris. Je peux vous dire que les gars là-bas faisaient des backflips, probablement littéralement.

Et nScrypt's Church pense bien au-delà de l’impression de coeurs sur l’ISS. En supposant qu’ils puissent augmenter considérablement la vitesse de production, les avantages de l’impression en vraie 3D par rapport à l’approche couche par couche «2 et demi-D» permettront à l’impression spatiale de concurrencer même les grands constructeurs terrestres. L’idée d’Ignatiev selon laquelle des panneaux solaires en arséniure de gallium fabriqués dans l’espace, répartis sur un kilomètre de large, en est un exemple, mais le même principe s’applique aux satellites et même aux engins spatiaux. "Je veux tout imprimer dans l'espace, déclare Church. Je veux imprimer une fusée dans l'espace."

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