2020 年は、宇宙探査とイノベーションの新たな 10 年の始まりであり、ニッケル含有合金はロケット、ホイール、触媒の製造を含む多くの用途で重要な役割を果たしています。
SpaceX は、航空宇宙機器の製造と反復可能な宇宙輸送を専門とする企業で、スターシップや超重量ロケットの製造にニッケル含有 304 (S30400) ステンレス鋼を使用しています。
1kgあたり60倍以上のコストがかかる炭素繊維に比べてコストが低い。 また、カーボンファイバーや他の金属よりもはるかに耐熱性が高いため、必要な断熱材ははるかに少なく、場合によっては均一です。
一方、NASA は、プローブホイールにおけるニッケル含有材料の別の潜在的な用途を模索しています。 ゴム製の車輪は月や火星では実用的ではないため、元のアポロ月面探査車の車輪はバネ鋼で作られていましたが、火星で使用するために設計された大きくて重い車輪のバネ鋼の車輪は変形してしまいます。 この問題を解決するために、NASA は形状記憶特性を持ち、バネ鋼製ホイールの 30 倍の変形に対応できるニッケルチタン合金製のメタルメッシュタイヤの開発を進めています。
Raptor ロケット エンジンを搭載した SpaceX スターシップは、液体メタンと液体酸素を燃料とする最初のスターシップの 1 つで、1,000 回使用できるように設計されています。 メタンは、火星での帰還のためのロケット燃料を作るために選ばれました。 メタンは、シャバティエ反応を通じて二酸化炭素と水素を使用して製造できます。この反応では、高温（最適温度は300-400度）および高圧で触媒を介して水素が二酸化炭素と反応し、メタンと水が生成されます。 使用できる触媒の 1 つはニッケルです。
火星の大気は95パーセントが二酸化炭素であり、NASAはロケットブースター用のメタンと酸素、そして宇宙飛行士が呼吸するための酸素を生成するのに必要な原料である水が火星に存在することを確認した。 ニッケル含有物質は、赤い惑星のより低い周囲温度と、液化メタン、水素、酸素の生成に必要な低温でも必要とされます。
ニッケル銅合金 K-500 (N05500)低温での延性に優れ、純酸素中では難燃性があります。 このため、ロケット エンジンに酸素を供給する酸素ブースター ポンプとして最適です。
高い強度と靭性を備え、アロイ 718 (N07718)は、航空機のターボジェット、ロケット エンジン、圧力容器に使用される析出硬化性ニッケル クロム合金で、-250 度までの低温に対応し、ガスを液化してブーストを実現します。 しかし、合金 718 の特性により、他の材料よりも機械加工や成形が難しくなります。 合金 718 は多孔性、偏析、および非常に粗い粒子サイズの影響を受けやすく、後続の加工ステップが必要となるため、インベストメント鋳造プロセスには問題が生じる可能性があります。
解決策は何ですか? 3D プリンティングでは、複雑な設計の高性能アプリケーションで 718 合金などのニッケルベース合金をより効率的に利用できます。
3D プリントにより、合金 718 の加工が容易になり、材料特性が良好に保持されます。 このプロセスでは溶接や機械加工が不要になるため、材料の無駄が大幅に削減されます。 この製造方法の利点は、718 合金ロケット エンジンのプロトタイプを 3D プリントすることで実証されました。 プロトタイプは完全に人工知能によって設計され、ドイツの Hyperganic Software によって開発されました。
個別に設計され組み立てられたコンポーネントで構成される従来のロケット エンジンとは異なり、3D プリントされたプロトタイプは連続した全体です。 これには、燃料と酸化剤が燃焼する燃焼室と、燃焼室を冷却して過熱を避けるために燃料を循環させる表面チャネルが含まれています。 モノリシック構造方式により、最軽量と最も効率的な冷却が保証され、特定のロケットの最高のパフォーマンスが実現されます。 カリフォルニア大学サンディエゴ校のバルカン II ロケット プロジェクトでも、3D プリントを使用してイグナス II 718 合金ロケット エンジンを製造しています。 将来のあらゆる新しい用途において、ニッケルは宇宙探査をさらに前進させるのに役立ちます。
