Miten laserit ja 3D-tulostus rakentavat tulevaisuutemme avaruudessa

Avaruustutkimus on edistynyt merkittävästi viime vuosikymmeninä, ja myös tavoitteemme ovat kasvaneet. Kyse ei enää ole pelkästään kaukaisten planeettojen vierailemisesta, vaan niiden asuttamisesta, ja sen vuoksi etsimme aktiivisesti rakenteita, jotka tukevat tulevaa avaruuskolonisaatiota ja tähtimatkailua.

Kuitenkin rakentaminen avaruudessa ei ole sama kuin rakentaminen Maassa. Rakentaminen avaruudessa tuo mukanaan vakavia haasteita.

Esimerkiksi voimakkaat lämpötilavaihtelut voivat heikentää Maassa käyttämämme rakennusmateriaalien eheyden. Lisäksi on mikrogravitaatio, avaruuden tyhjiö, säteily, resurssien, kuten veden ja perinteisten aggregaattien, niukkuus sekä logistiikka, joka liittyy komponenttien laukaisuun ja kokoamiseen kiertoradalla tai muukkaan pinnalla.

Kaikki nämä muodostavat haasteita, jotka edellyttävät materiaalien ja rakennusmenetelmien uudelleenarviointia avaruudessa.

Edistysaskeleet, kuten avaruusbetoni, mikroaaltosinteröinti, lasersinteröinti, lämpökovetut materiaalit ja regoliitin sulatus/muovaus, ovat keinoja, joilla kovia ympäristöolosuhteita ja resurssien niukkuutta pyritään ratkaisemaan.

3D-tulostusteknologia on toinen keskeinen innovaatio, joka osoittaa suurta potentiaalia monimutkaisten asuinympäristöjen ja rakenteiden rakentamisessa avaruudessa. Se tarjoaa tarkkuuden, parannetun tehokkuuden, nopean kovettumisen, vakauden ja jätteen minimoinnin edut.

Tätä teknologiaa voidaan käyttää paikallisten materiaalien, kuten kuun ja Marsin maaperän, kanssa kestävien infrastruktuurien rakentamiseen, mikä vähentää tarvetta kuljettaa kaikkia materiaaleja Maasta.

Toinen tärkeä roolia tässä näyttelevä innovaatio on automatisoidut robotit, jotka rakentavat betonirakenteita ankarissa ympäristöissä ja poistavat ihmistyön tarpeen. Niissä on reaaliaikaiset valvontakyvyt, jotka varmistavat rakennuslaadun ja turvallisuuden pitkäaikaista asuttamista varten.

Avaruustutkimuksen ja kolonisaation ala kehittyy nopeasti, ja sen keskellä tutkijat ovat kehittäneet tavan rakentaa todella suuria rakenteita kestävään avaruustoimintaan.

NOM4D-matka: Laserpohjainen avaruusvalmistus

University of Florida (UF) -yliopiston insinööritekijätiimi työskentelee tarkkojen metallirakenteiden valmistuksen parissa¹ kiertoradalla laser-teknologian avulla.  

Ideana on erityisesti rakentaa massiivisia rakenteita, kuten 100 metrin aurinkopaneelijärjestelmä kiertoradalla, hyödyntäen kehittynyttä laser-teknologiaa.  

Aurinkopaneelien lisäksi tiimi pyrkii näkemään suuria rakenteita, kuten avaruusteleskooppeja, satelliittiantennia tai jopa osia avaruusasemista, jotka rakennetaan suoraan kiertoradalla, mikä olisi merkittävä askel kohti pidempiä tehtäviä ja kestävää avaruustoimintaa.

“Haluamme rakentaa suuria asioita avaruudessa. Rakentaaksemme suuria asioita avaruudessa, meidän on alettava valmistaa asioita avaruudessa. Tämä on jännittävä uusi raja-alue.” 

Tutkimuksensa toteuttamiseksi yliopisto on saanut DARPA:lta 1,1 miljoonan dollarin sopimuksen. Vaikka muut yliopistotkin tutkivat avaruusvalmistusta, UF on ainoa, joka keskittyy lasermuotoiluun avaruussovelluksissa.

Tämän vuoksi Miller ja hänen opiskelijansa tekevät yhteistyötä Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) -viraston ja NASA:n Marshall Space Flight Centerin kanssa, jotka edistävät Yhdysvaltain avaruusohjelmaa laukaisualustojen, avaruusjärjestelmien, propulsiojärjestelmien ja laitteiston, huipputeknisten insinööriratkaisujen sekä huipputason tieteiden ja tutkimushankkeiden kautta.

Yhdessä he työskentelevät projektissa nimeltä NOM4D, joka tarkoittaa Novel Orbital and Moon Manufacturing, Materials, and Mass-efficient Design – uutta kiertorata- ja kuunvalmistusta, materiaaleja ja massatehokasta suunnittelua, jonka tavoitteena on mullistaa avaruusinfrastruktuurin kehitys.

NOM4D:ssä yksi suurimmista haasteista on ylittää rakettikuorman koon ja painon rajoitukset. Näiden ongelmien ratkaisemiseksi UF:n tiimi kehittää lasermuotoilutekniikkaa, jolla metallia taivutetaan muotoon tarkkoja kuvioita seuraamalla.

Jos se tehdään tarkasti, se ei vaadi ihmisen kosketusta, sillä laserin lämpö kiertää metallia itse, mikä tekee siitä ratkaisevan askeleen kohti kiertorata-valmistuksen toteutumista. Tiimin jäsenen, kolmannen vuoden väitöskirjaopiskelijan materiaalitieteen ja tekniikan alalta Nathan Frippin mukaan:

“Tämän teknologian avulla voimme rakentaa rakenteita avaruudessa paljon tehokkaammin kuin lähettämällä ne täysin koottuina Maasta. Tämä avaa laajan valikoiman uusia mahdollisuuksia avaruustutkimukseen, satelliittijärjestelmiin ja jopa tuleviin asuinympäristöihin.”

Metallin muodon muuttaminen oikein ja tarpeen mukaan on monimutkainen prosessi, joten monimutkainen lasertaivutus on varmasti suuri saavutus, mutta se on vain osa yhtälöä.

Millerin mukaan haasteena on varmistaa, että materiaalin ominaisuudet pysyvät hyvät tai paranevat prosessin aikana. Taivutetut alueet tarvitsevat edelleen hyvät ominaisuudet sekä kestävyyden ja vahvuuden oikealla joustavuudella.

Materiaalien arvioimiseksi tiimi suoritti kontrolloituja testejä ruostumattomasta teräksestä, alumiinista ja keraamista analysoidakseen, miten lämpö, gravitaatio ja laserin syöttö vaikuttavat materiaalien taivutukseen ja käyttäytymiseen.

“Suoritamme monia kontrolloituja testejä ja keräämme yksityiskohtaisia tietoja siitä, miten eri metallit reagoivat laserenergiaan: kuinka paljon ne taivutuvat, kuinka paljon ne kuumenevat, miten lämpö vaikuttaa niihin ja muuta. Olemme myös kehittäneet malleja, jotka ennustavat lämpötilan ja taivutuksen määrän materiaalin ominaisuuksien ja laserenergiansyötön perusteella. Opimme jatkuvasti sekä mallinnuksesta että kokeista syventääksemme ymmärrystämme prosessista.”

– Wei

UF:n lehdistötiedotteen mukaan yksi arvioinneista sisälsi lasermuotoilun testaamisen avaruusolosuhteiden kaltaisissa olosuhteissa, mikä vaati lämpötyhjiökamaran. Tämä toimitettiin NASA:lta, mikä teki yhteistyöstä NASA Marshall Space Centerin kanssa ratkaisevan tärkeän teknologian valmiustason (TRL) merkittävään nostamiseen.

Tätä testausta johti Fripp, ja se toteutettiin havainnoimaan materiaalien reagointia avaruuden ankaraan ympäristöön. Tiimi havaitsi, että useat tekijät, kuten materiaalin ominaisuudet, laserparametrit ja ympäristöolosuhteet, määräävät lopulliset tulokset.

“Avaruudessa olosuhteet, kuten äärimmäiset lämpötilat, mikrogravitaatio ja tyhjiöt, muuttavat edelleen materiaalien käyttäytymistä. Tämän seurauksena muotoilutekniikoidemme sovittaminen toimimaan luotettavasti ja johdonmukaisesti avaruudessa lisää toisen kerroksen monimutkaisuutta.”

– Fripp

Tutkimus UF:ssä alkoi vuonna 2021 ja on sen jälkeen edistynyt merkittävästi. Mutta jotta teknologia olisi valmis käytettäväksi avaruudessa, sitä on kehitettävä edelleen. Se on tällä hetkellä siirtymässä viimeiseen vuoteensa, ja projekti on suunniteltu valmistumaan kesällä 2026.

Vaikka kysymyksiä projektin eri osa-alueista, erityisesti materiaalien eheyden säilyttämisestä lasermuotoiluprosessin aikana, on edelleen, tiimi on optimistinen, sillä jokainen simulointi ja laseritesti vie sen askeleen lähemmäs rakennuksen uutta aikakautta.

“On hienoa olla osa tiimiä, joka työntää valmistuksen mahdollisuuksien rajoja, ei vain Maassa, vaan myös sen ulkopuolella.”

– Wei

Ekologiset rakennuspalikat maapallon ulkopuolisille asuinympäristöille

Pyrkimyksessä maapallon ulkopuoliseen rakentamiseen tiedemiehet kokeilevat erilaisia reittejä, mukaan lukien muiden planeettojen resurssien hyödyntäminen.

Äskettäin Texas A&M -yliopiston tiedemiehet, yhteistyössä University of Nebraska-Lincolnin kanssa, kehittivät elävää materiaalia, joka muuttaa Marsin pölyn rakenteiksi, mahdollistaen autonomisen rakentamisen punaisella planeetalla. Tällaiset innovaatiot ovat tärkeitä Marsin kolonisoimisen tavoitteen toteuttamisessa.

Tiimi on tutkinut useita vuosia tapoja luoda suunniteltuja elävää materiaalia biotalouden avulla, ja lopulta he ovat luoneet synteettisen sammaljärjestelmän, joka pystyy tuottamaan rakennusmateriaaleja itsenäisesti ilman ihmisen panosta.

NASA Innovative Advanced Concepts -ohjelman tukemana viimeisin tutkimus tutki, miten tätä järjestelmää voidaan hyödyntää rakenteiden rakentamiseen Marsilla käyttäen regoliittia. Texas A&M:n tohtori Congrui Grace Jinin mukaan:

“Voimme rakentaa synteettisen yhteisön jäljittelemällä luonnollisia sammaleita. Olemme kehittäneet tavan rakentaa synteettisiä sammaleita luodaksemme biomateriaaleja, jotka liimaavat Marsin regoliittipartikkeleita rakenteiksi. Tämän jälkeen 3D-tulostuksen avulla voidaan valmistaa laaja valikoima rakenteita, kuten rakennuksia, taloja ja huonekaluja.”

Muita Marsin regoliitin sitomiseen kehitettyjä strategioita on jo tutkittu muiden tutkijoiden toimesta. Näihin menetelmiin kuuluvat rikki-, magnesium- ja geopolymeeriyhdisteisiin perustuvat ratkaisut; ne kaikki kuitenkin riippuvat voimakkaasti ihmistyövoimasta, mikä tekee niistä epäkäytännöllisiä.

Itsekasvavat mikrobijärjestelmät ovat toinen tapa. Tällä alalla toteutettuja innovaatioita ovat esimerkiksi sienimykeliitin käyttö luonnollisena sidoksena, ureolyyttiset bakteerit kalsiumkarbonaatin tuottamiseksi tiilien muodostamiseen sekä bakteerien biomineralisointi, joka muuttaa hiekkaa kiinteäksi muuraukseksi.

Vaikka lupaavia, nämä käytännöt eivät ole täysin autonomisia, sillä käytetyt mikrobit rajoittuvat yhteen lajiin ja tarvitsevat jatkuvan ravintoaineiden saannin selviytyäkseen, mikä tekee ulkoisen puuttumisen tarpeelliseksi.

Siksi tiimi kääntyi useiden lajien puoleen täysin autonomisen itsekasvavan teknologian kehittämiseksi.

Heterotrofisia filamenttisia sieniä käytettiin, koska ne edistävät suuria määriä biomateriaaleja ja kestävät avaruuden ankarat olosuhteet. Ne yhdistettiin fotoautotrofisiin diazotrofiin syanobakteereihin synteettisen sammaljärjestelmän luomiseksi. Tiimi työskentelee nyt projektinsa seuraavan askeleen parissa, luoden regoliittimusteen 3D-tulostettavien bio-rakenteiden valmistamiseksi.

“Tämän itsekasvavan teknologian potentiaali mahdollistaa pitkän aikavälin maapallon ulkopuolisen tutkimuksen ja kolonisaation on merkittävä.”

– Jin

Muutama kuukausi sitten Georgia Techin tiedemiehet raportoivat myös uuden luokan modulaarisista, uudelleenkonfiguroitavista ja kestävästä rakennuspalikoista, jotka soveltuvat sekä maapallon että avaruuden asuinympäristöihin.

Yksiköt, nimeltään Eco-voxels (ekologiset voxelit), voivat vähentää hiilijalanjälkeä jopa 40 % säilyttäen samalla rakenteellisen suorituskyvyn, jota tarvitaan lentokoneen siipiin ja kantaviin seiniin.

Nämä 3D-pikselien vastaavat elementit on valmistettu polytrimeenitereftalaatista (PTT), osittain bio-pohjaisesta polymerista, joka on peräisin maissisokerista ja vahvistettu kierrätetyillä hiilikuiduilla, jotka syntyvät ilmailukomponenttien valmistuksen aikana syntyneestä romumateriaalista.

Nämä eco-voxelit ovat kevyitä, ne voidaan koota nopeasti ja ne perustuvat paikallisesti hankittuihin materiaaleihin, mikä tekee niistä ihanteellisia ehdokkaita tuleviin kuun tai Marsin suojiksi.

Luun ja Marsin asuinympäristöt: Maailmanlaajuinen edistysaskel

Innostus avaruustutkimukseen on selvästi johtanut edistysaskeliin avaruusteknologiassa. Kun on kyse asuinympäristöjen perustamisesta Kuuhun ja Marsiin, NASA on ollut aktiivisesti mukana, ymmärtäen haasteet ja kehittäen tarvittavat järjestelmät.

Sen Artemis-ohjelma on yksi merkittävimmistä hankkeista, jonka tavoitteena on perustaa pysyvä tukikohta Kuuhun. NASA tekee myös yhteistyötä Texasissa toimivan rakennusteknologian yrityksen ICONin kanssa rakentaakseen avaruuspohjaisen rakennusjärjestelmän ja on investoinut sen Project Olympus -hankkeeseen.

Projektin painopiste on robottirakentamisessa, jonka tavoitteena on ottaa käyttöön 3D-tulostusrobotteja, jotka voivat luoda asuttavia rakenteita, varastoyksiköitä ja laskeutumisalueita käyttäen kuun materiaalia. Se on jopa toteuttanut vuoden mittaisen kokeilun 3D-tulostetusta Marsin asuinympäristöprototyypistään.

Yritys on myös rakentanut todellisen 1 700 neliöjalan 3D-tulostetun rakenteen NASA:lle Vulcan-rakennusjärjestelmänsä kautta. Rakennuksen on suunnitellut arkkitehtitoimisto BIG, ja se simuloi Marsin asuinympäristöä tukemaan pitkän aikavälin avaruuslennoja.

NASA tutkii myös sienimykeliitin tiilien käyttöä Marsin ja kuun asuntojen rakentamiseen.

Lynn Rothschildin, NASA:n Ames Research Centerin vanhemman tutkijan, johdolla projekti nimeltä “Mycotecture Off Planet” sai 2 miljoonaa dollaria rahoitusta NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC) -ohjelmasta, jonka tavoitteena on “edistää teknologioita astronauttiemme kuljettamiseen, tutkijoidemme asumiseen ja arvokkaan tutkimuksen mahdollistamiseen.”

Konsepti sisältää astronauttien mukana kuljettamat kevyet rakenteet, jotka on kyllästetty lepotilassa olevilla sienillä, ja veden pienellä määrällä stimuloidaan sienten kasvua. Mycelia on säikeenmuotoisia rakenteita, jotka muodostavat suurimman osan sienistä, voivat kasvaa monimutkaisiksi, kestäviksi muodoiksi ja voidaan turvallisesti eristää kontaminaation välttämiseksi. Lisäksi myceliaa voidaan käyttää veden suodattamiseen ja mineraalien erottamiseen jätevedestä.

Tiimi on jo osoittanut konseptinsa toteutettavuuden luomalla sienipohjaisia biokomposiitteja ja testaamalla prototyyppejä, ja sen nykyinen keskittyminen on parantaa sieniasuinympäristöjen materiaalien ominaisuuksia ja testata ne matalassa Maan kiertoradassa.

Euroopan unionissa (EU) Euroopan avaruusjärjestö (ESA) on tehnyt merkittäviä edistysaskeleita.

Esimerkiksi vuonna 2020 se perusti prototyyppilaitoksen, joka tuottaa happea simuloidusta kuun pölystä. Muutama vuosi myöhemmin se aloitti työskentelyn Prospect-nimisen robottiporakaivurin ja minilaboratorion parissa, joka arvioi mahdollisia resursseja Kuussa tulevaa hyödyntämistä varten.

Viedäkseen avaruussuunnitelmansa eteenpäin ESA tekee yhteistyötä muiden toimistojen, kuten Yhdysvaltain NASA:n, sekä useiden yksityisten organisaatioiden kanssa.

Tanskalainen suunnittelu-rakennusyritys SAGA on luonut kompaktin koulutushabitaatin ESA:lle. Näissä habitaateissa on työtila, yhteinen tila ja nukkumiskapselit. Samaan aikaan Aurelia Institute kehittää modulaarisia paneeleja, jotka avaruudessa asennettuina voivat muodostaa suurempia rakenteita ja tarjota mukavampia ympäristöjä astronautteille.

Resurssien louhinnan ja habitaattiprotoypien lisäksi ESA edistää myös kriittisiä ajoitusteknologioita. Se on rakentanut Atomikellokokoonpanon avaruudessa (ACES), joka laukaistiin kiertoradalle Floridasta tänä huhtikuuna. Se koostuu kahdesta yhdistetystä atomikellosta, toinen sisältää vetyatomeja ja toinen cesiumia, tuottaen yhden tarkemman tikityksen, jonka tarkkuus on yksi sekunti 300 miljoonan vuoden aikana.

Korkean tarkkuuden kello mahdollistaa paremman navigoinnin, resurssien hallinnan ja jopa gravitaatiomittaukset, tukien kestävää ihmisen läsnäoloa Maan ulkopuolella.

Klikkaa tästä oppiaksesi, miltä tulevaisuuden avaruustalous voisi näyttää.

Jopa tietovarastointi suuntautuu kuuhun

Mielenkiintoista on, että yritykset tutkivat jopa tietokeskusten siirtämistä avaruuteen. Tänä vuonna Floridan yritys Lonestar Data Holdings asensi laitteensa, joka on kenkälaatikon kokoinen, Athena-landerin (IM-2) Intuitive Machines -lennolle.

IM-2:n tarkoituksena on esitellä resurssien etsintää, kuun liikkuvuutta ja aineanalyysiä, jotka auttavat löytämään vesilähteitä kestävän infrastruktuurin perustamiseksi kuun pinnalle sekä avaruuteen.

Lonestar Data Holdingsin laite IM-2:ssa kantoi samalla dataa Vint Cerfilta, joka on tunnustettu yhtenä “Internetin isistä”, sekä Floridan hallitukselta, muiden joukossa.

Tietovarastoinnin sijoittaminen kuuhun odotetaan auttavan voittamaan tietokeskusten haasteet, ala, joka kasvaa nopeasti AI:n, koneoppimisen ja pilvipalveluiden kasvavan kysynnän vuoksi. Tietokeskukset tunnetaan korkeasta energiankulutuksestaan, mikä rasittaa sähköverkkoja, sekä melusaasteesta, ja kaikki nämä ongelmat voidaan mahdollisesti ratkaista avaruuden laajuudessa.

Steve Eiselein, Lonestarin presidentti ja pääasiallinen tulonlähde, mukaan “kuu voi olla turvallisin vaihtoehto” datallesi. “Sitä on vaikeampi hakkeroida; se on paljon vaikeampi tunkeutua; se on kaikkien maapallon ongelmien, kuten luonnonkatastrofien, sähkökatkosten ja sodan, yläpuolella,” hän lisäsi.

Yritys aikoo lanseerata kaupallisen tietovarastointipalvelun vuoteen 2027 mennessä käyttämällä useita satelliitteja, jotka sijoitetaan L1-pisteeseen, Auringon ja Maan väliin olevaan Lagrangen pisteeseen. Myös muut yritykset, kuten Axiom Space ja Starcloud, suunnittelevat omia toimiaan.

“Kuun talous kasvaa, ja seuraavan viiden vuoden aikana tarvitsemme digitaalisen infrastruktuurin kuuhun”, sekä “Mars ja sen ulkopuolelle. Se tulee olemaan suuri osa tulevaisuuttamme”, sanoi Eisele.

Sijoittaminen avaruustutkimukseen ja kolonisaatioon

Avaruusalalla Northrop Grumman Corporation (NOC ) on syvästi mukana NASA:n Artemis-ohjelmassa, Gateway-kuun tukikohjaratkaisuissa, autonomisissa robotiikoissa ja avaruusvalmistuksen tutkimuksessa. Se työskentelee myös kehittyneen propulsiojärjestelmän, suurten käyttöön otettavien rakenteiden ja tarkkuusvalmistuksen parissa.

Northrop Grumman Corporation (NOC )

Northrop Grumman Corporatiolla on markkina-arvo 72,57 miljardia dollaria, ja sen osakkeet käyvät tällä hetkellä 506,62 dollaria, +7,44 % vuoden alusta. Sen EPS (TTM) on 25,36 ja P/E (TTM) 19,88, ja se tarjoaa osinkotuoton 1,83 %.

Taloudellisesti se raportoi 9,5 miljardia dollaria myyntiä ja ennätyksellisen tilauskannan 92,8 miljardia dollaria vuoden 2025 Q1:lle. Nettotulos oli 481 miljoonaa dollaria, eli 3,32 dollaria laimennettua osaketta kohden. Lähes 800 miljoonaa dollaria palautettiin osakkeenomistajille osinkojen ja osakkeiden takaisinostojen kautta.

Viimeisimmät Northrop Grumman (NOC) -osaketuotteiden uutiset ja kehitykset

Yhteenveto

Kun jatkamme etäisyyksien laajentamista kohti kosmosta, on yhä selvempää, että tarvitsemme enemmän kuin pelkkiä raketteja pysyvän läsnäolon rakentamiseen. Tämä tarkoittaa kestäviä rakenteita, jotka kestävät ankarat ympäristöolosuhteet ja ratkaisevat resurssien niukkuuden.

Laserin avulla kiertoradan metallin muotoilusta bioinsinöörimateriaaleihin, autonomisiin robotteihin ja 3D-tulostukseen, nämä edistysaskeleet raivaavat tietä kestävälle maapallon ulkopuoliselle tulevaisuudelle. Tutkimuksen edetessä lähestymme yhä enemmän pysyvän jalanjäljen luomista planeettamme ulkopuolelle ja todellisen interplanetaarisen sivilisaation rakentamista.

Klikkaa tästä saadaksesi listan parhaista ilmailualan osakkeista.

Toimittajan huomautus (heinäkuu 2025): Tämä artikkeli päivitettiin sisällyttämään lisälähdeviitteet ja poistamaan lause, joka väärin kuvaili tutkimusryhmän edistymistä palautesilmukan kehittämisessä.

Lähteet:

^{1. Carter, P. (2025, June 25). Luokasta kosmoksi: Opiskelijat pyrkivät rakentamaan suuria asioita avaruudessa. University of Florida News. Retrieved from https://news.ufl.edu/2025/06/manufacturing-in-space-with-lasers/}