NASAにより計画されている3Dプリント回路基板テクノロジーの使用方法

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3Dプリントがどのように社会現象となったのか、注目していましたか? 今では、人々は可能なら何でも3Dプリントにしようとしているようです。もしかしたら、3D印刷の熱狂はモノのインターネットと重なり、そのうちにプリントされたスマートフォークなどというものが出現するのかもしれません。他の人は3Dプリントで作って使い捨てにできる50の最高の製品について記事を書いているようですが、私はNASAがどのように3Dプリントを活用しようとしているかについて紹介したいと思います。ここだけの話、NASAは宇宙船と回路を印刷しようとしています。NASAは、プリント回路をどのように、そしてなぜ使用するかを詳細に示す科学的ミッションを計画しています。また、NASAはその将来を現実化できる現行のテクノロジーのレビューも行っています。

NASAのミッションにおけるプリント回路の使用法

最後の開拓地である宇宙は極めて過酷な環境で、宇宙のかなたを探検するには尋常でない革新が必要となります。NASAは過去にも多くの途方もないミッションを達成してきましたが、宇宙旅行をさらに推進するには、ミッションを完遂するため、さらに進歩した道具が必要となります。フレキシブル基板は、NASAが遠大な目標を達成するため検討しているテクノロジーの1つです。NASAの理論的なStANLEミッションは、プリント回路がなぜ利点があるのか、どのようなものになるのかを示すため計画されたものです。

StANLEは、プリントされた宇宙船の可能性を示すために考えられたものです。私は「プリント可能な宇宙船」という言葉を最初に読んだとき、NASAはスペースシャトルをプリントするつもりなのだと思いました。実際にはこれらの宇宙船は薄い紙のようなもので、主に気象学用のステーションとして使用されます。これらのセンサーアレイは広大な範囲に放出され、温度、気圧、風速、放射線、湿度などのデータを収集します。

NASAは別に、これをプリントすると言っているわけではありません。

NASAは過去に、他の惑星を調査するために、ローバーなどを使用しました。3Dプリントされたシステムには、このような種類のミッションと比較して、いくつかの利点があります。ローバーには非常に進歩しているものもありますが、移動が遅く、同時に1箇所のデータしか収集できません。また、すべてのコンポーネントが集中化しているため、障害の危険が大きくなります。1つのシステムに大きな障害が発生した場合、ローバー全体が動作しなくなる可能性があります。その代わりに、数千もの独立したセンサーを広範囲に分散すると、障害の危険が数千のユニットに分散され、同時に大量のデータを収集できるようになります。フレキシブル回路自体にも、いくつかの利点があります。特に、重量とサイズが小さいことは重要です。これら2つの属性は、この種類のミッションが理論的に成功するため不可欠です。NASAはこのミッションのため、従来のような1つの着陸船だけの構成（564kg）と、重量予算を比較しました。その結果、数千の回路のペイロードを考慮しても、このミッションは同じ重量予算に収まることが判明しました。このような種類の配列により、たった1つのステーションではなく、数千キロメートルにわたって数千個もの着陸船を展開できるようになります。

これらのプリント可能な宇宙船は実際にどのようなものなのか、疑問をお持ちだと思います。これは実際には、薄い紙のようなもので、1つの大きなフレキシブル回路です。このPCBはアンテナ、マイクロコントローラー、アナログ/デジタル・コンバーター（ADC）、バッテリー、ソーラーセル、温度センサー、放射線センサー、フォトセンサー、圧力センサー、湿度センサー、風速センサーなどのコンポーネントで構成されます。このテクノロジーの一部はフレキシブル形式で現在利用可能ですが、全てが利用可能なわけではありません。このためNASAは、このミッションを実現するためどのようなプリント可能回路のテクノロジーが必要なのか、さらに検討を進めています。

フレキシブルなプリント回路は、このような外観になります。

テクノロジーの成熟度

NASAは、最新のテクノロジーを開発し、活用しています。このような労力を整理するため、NASAは技術成熟度（TRL）の評価システムを開発しました。最も高いTRLは9で、実際のフライトにより証明されていることを意味します。TRLが1なら、そのテクノロジーはまだ初期の調査段階であることを示します。StANLEミッションがどの程度現実的なのかを的確に示すため、NASAはそれぞれのプリント可能な部品についてTRLを調査しました。NASAは、これらのコンポーネントを2020年に用意する必要があります。これらはいずれも商用アプリケーションが存在し、現在研究中であるため、この目標は達成される可能性が高いと考えられます。ここでは、半ば完成した部品の1つと、未だ初期調査段階である部品の1つについて解説します。

ほぼ完成している部品の1つは温度センサーです。フレキシブルな温度センサーが既に存在するだけでなく、プリントされたセンサーも存在します。NASAが求めているセンサーは、銀のナノ粒子インクでプリントされたもので、ミッションのため十分な耐用期間があるものです。現在の最高のセンサーは、-263℃から27℃の範囲で、0.1℃の分解能で動作できます。NASAは、この特性が範囲と感度について要件を満たすと考えているため、このセンサーは実用化が近いと言えます。

しかし、物事は常にこのように単純なわけではなく、他のコンポーネントについてはさらに研究が必要です。マイクロコントローラーは、完全にプリント可能にするのが最も困難な部品かもしれません。プリントされたマイクロコントローラーは存在していますが、非常に低速です。StANLE宇宙船のマイクロコントローラーはメモリの読み出し/書き込みを制御し、電力をレギュレートし、センサーのデータをポーリングする必要があります。NASAは現在のテクノロジーに合わせて機能を減らすことも可能ですが、それは適切な解決策ではありません。その代わりに、NASAはフレキシブルな薄膜のマイクロプロセッサーのハイブリッドを使用することを期待しています。これはプリントされませんが、柔軟で、全体的な宇宙船の設計に合致するものです。

NASAは、このミッションの準備を2024年に完了することを希望しており、そのためには関与するテクノロジーが2020年頃には完成している必要があります。すべてのシステムが完成するかどうかは定かでありませんが、期待したいところです。理論的なStANLEミッションは、プリントされたフレキシブルな回路がどの程度有用かを示すものです。これによって、重量や容積を増やすことなく、現在の宇宙ミッションの範囲を広げ、リスクを減らすことができます。あと必要なのは、研究所がプリント可能なセンサーや、他のプリントされたPCBコンポーネントを完成させてくれることだけです。

このNASAのミッションは、将来の回路がプリントされ、かつフレキシブルになることを明確に示しています。技術者はフレキシブルな回路の使用方法と、設計方法を学ぶ必要があります。幸い、この目的のためAltium Designerのような優れたPCB設計ソフトウェアが役立ちます。Altium Designerには、フレキシブルな設計に役立つ多くのツールが搭載されています。

フレキシブル回路についてのご質問は、Altiumの専門家までお問い合わせください。