Технології 3D-друку за останні два десятиліття перетворилися з фантастики на звичайний елемент нашого життя. Багато хто пропонує застосовувати їх для того, аби друкувати будинки на Землі та в космосі. Однак із реалізацією цієї ідеї є певні труднощі.
Як працює 3D-друк
Ще 20 років тому ідея про те, що якийсь предмет, наприклад чашку можна просто створити вдома, просто віддавши наказ комп’ютера, видавалася людям фантастичною. Однак інженери цілеспрямовано працювали над її реалізацією і ось вже декілька років як 3D-принтери стали звичайними не тільки у спеціалізованих майстернях, але і вдома у звичайних людей.
З технічного погляду 3D-принтер є різновидом верстата з числовим програмним управлінням (ЧПУ). Цим терміном позначають пристрої, які виробляють речі, керуючись їх електронними моделями без втручання людини.
Програма, відповідно до встановленої 3D-моделі переміщує робочий орган у необхідну точку координат, якщо треба, повертає його і вмикає на певний час. Прикладом тут може стати фрезерний верстат з ЧПУ, який вирізає з матеріалу плоскі чи об’ємні фігури. Саме так народжуються фанерні магніти на холодильник.
3D-принтер працює прямо протилежним способом. Замість того, аби видаляти матеріал у певній точці, він його там розміщує. Зазвичай це краплина якогось рідкого або пастоподібного матеріалу, який швидко остигає та твердне.
Конкретних технологій 3D-друку існує величезна кількість. Кожна з них має свої переваги та недоліки та реалізована так чи інакше. Завдяки цьому вдалося навчитися друкувати не тільки пластиком, але й керамікою, бетоном, і навіть, металом.
Чому б не надрукувати будинок
Успіхи у друку невеликих предметів привели багатьох інженерів до ідеї застосувати машини з ЧПУ для створення чогось значно масштабнішого, наприклад цілих будинків. Причина, чому саме на них звернули увагу достатньо проста: вони видаються відносно простими речами, на отримання яких, тим не менш, витрачається багато часу і людської праці, внаслідок чого вони виходять занадто дорогими.
Саме економія людської праці та часу вважається головною перевагою будівельних 3D-принтерів. Будувати їх почали ще десятиліття тому і достатньо швидко отримали перші робочі зразки. Але далі експериментів справа так і не пішла.
Причин цього є декілька і усі вони пов’язані із тим фактом, що масштаб та призначення у декоративної пластикової фігурки та будівлі у десять метрів заввишки досить різні. І саме розмір — це проблема, яку зрозуміти легше за все.
Проблема рами принтера
Для того, аби розмістити робочий орган 3D-принтера у певній точці, його треба змонтувати на чомусь, що дозволятиме йому вільно пересуватися у трьох площинах, повністю перекриваючи певний простір.
Зазвичай у доступних для домашнього використання пристроях він являє собою формуючу голівку, яка їздить по рамі вправо-вліво-вперед-назад та здатна підійматися та опускатися. При цьому наша фігурка має повністю знаходитися всередині цієї конструкції та ще й, у більшості випадків, закрита корпусом.
А тепер уявіть, що те саме треба повторити для друку 5-поверхового будинку. Рама такого принтера має бути значно більшою за сам будинок. А по ній ще має їздити чимала формувальна голівка. При цьому уся ця конструкція не має ані хитатися під власною вагою, яка буде чималою. Усе це примушує робити її ще масивнішою.
Своєю чергою, пересувати елементи рами у потрібне положення мають достатньо потужні та складні електродвигуни. Ім треба забезпечити живлення від електромережі та ремонт. Тому обслуговувати їх на висоті має команда механіків та електриків.
Найцікавішу ж проблему можна побачити, якщо відстежити, що відбувається, коли друк на домашньому 3D-принтері закінчено. Ми дістаємо нашу фігурку з пристрою. З будинком ми так зробити не можемо. Але і залишати усю конструкцію як є ми не можемо. Вона потрібна в іншому місці, де буде зводитися наступний будинок. А тут вона тільки є джерелом небезпеки.
Тобто фактично «надрукувати будинок» являтиме собою процес збирання і налагодження роботи велетенського механізму. Далі він умовно «без участі людей» друкує наше житло. А після цього його ще треба обережно розібрати. І чим більшим є будинок, тим витратнішими є ці операції.
З чого будувати?
Наступне питання, яке треба вирішити, перш ніж почати друкувати будинки: а який матеріал для цього використовувати. Пластик, який використовується у домашніх апаратах з погляду самого процесу перетворення на конструкцію був би найпростішим і найзрозумілішим варіантом.
Пластик легко плавиться і застигає. У нього є свої переваги та недоліки, але головна вада перекриває їх усі. Пластик дорогий. Уся економія на робочій силі, якої теоретично можна було б досягти «з’їдається» вартістю самого матеріалу. Тому використовувати його для тримальних конструкцій будівлі, об’єм яких може сягати сотень кубічних метрів просто недоцільно.
Наступними ідуть метали та базальт. Перші трохи міцніші та дорожчі, другий — трохи дешевший і крихкіший, але в обох випадках переваги одні й ті самі. Це міцні та довговічні матеріали, але важкі й дорогі. А той факт, що сировину для друку ними треба подавати у вигляді порошкоподібного матеріалу й у формувальній голівці спікати лазером робить їх використання ще складнішим.
Трохи простіше формувати стіни з в’язкої глини. Технологія приблизно та сама, що й з пластиком, але велика проблема у тому, що для того, аби конструкція не розмокала від дощів його треба піддавати термічній обробці, простіше кажучи, випалювати. На це іде купа енергії й в процесі стіни можуть просто тріснути.
Залишається матеріал, який найширше зараз використовується у будівництві — бетон. Це — композит, у якому тверді силікатні породи у вигляді піску та щебеню з’єднуються в один масив «склеюючись» за допомогою цементного каменю в один масив.
Показники міцності та стійкості бетону до різних середовищ достатньо середні у порівнянні з іншими адгезивними матеріалами, відомими людям. Але і ціна у нього не надто захмарна. Жоден з конкурентів не може навіть наблизитися до цього набору властивостей за ту ж ціну. Це і зумовлює те, що саме з нього будують по всьому світу.
Проблеми з бетоном
Люди достатньо непогано навчилися керувати властивостями бетонної суміші. Тому не важко зробити її достатньо «жорсткою», щоб з неї можна було пошарово формувати предмети так само як це відбувається із пластиком.
Але є у бетону одна властивість, яка давно відома і може сильно перешкодити для його використання при 3D-друку. Він непогано витримує сили, що його стискають, але розтягуванню не може добре опиратися. А воно виникає у дуже несподіваних місцях.
Кожен вигин конструкції означає її розтягнення в певній точці. Тому навіть якщо сформувати віконний або дверний отвір із верхньою частиною, вона після застигання бетону однаково тріскатиметься під вагою всього, що розміщене вище за неї. Доведеться будувати вікна з арковим верхом як у старих будівлях, а це вимагатиме збільшити висоту приміщень.
Та сама проблема виникає і з перекриттями. Їх доведеться робити або надзвичайно товстими та важкими, або у вигляді склепінь та арок. Усе це, знову ж, значно підвищить витрати матеріалів на їх спорудження та зменшить корисний об’єм будівлі.
Для звичайних технологій зведення будівель, проблема давно вирішена. Всередину бетонного масиву, там, де виникає розтягнення вмішують металеві стрижні. Це називається арматурою, а матеріал, який при цьому отримують — залізобетоном.
Але вставити арматуру через 3D-принтер просто неможливо. Розміщувати її доводиться вручну. І для великих будівель робітникам може навіть знадобитися кран. Тобто усі переваги ЧПУ просто зникають.
Проблема фундаменту
Є ще одна проблема, яка заважає концепції «приїхали та почали друкувати будинок прямо на місці». Будинок важить багато тонн. І просто поставити його стіни на ґрунт у більшості випадків не вийде. Він почне повільно занурюватися у землю і добре, якщо відбуватися це буде рівномірно. Якщо ні, то по ньому просто підуть тріщини.
Запобігти цьому має конструкція під назвою фундамент, яка призначена для передачі навантаження на заздалегідь ущільнений ґрунт. Перед цим треба проводити геологічні дослідження, зміцнювати основу під фундамент чи просто чекати. Зазвичай це тривалий процес, який займає більше часу, ніж власне зведення стін. І застосування 3D-принтера у більшості випадків його анітрохи не прискорює.
Саме ця проблема майже повністю нівелює переваги використання 3D-принтерів на Землі. Неважливо, що зведення стін замість 6 тижнів потребує лише 6 діб, якщо перед цим влаштування фундаментів потребує 6 місяців.
Чого не може зробити 3D-друк
Ще одна причина того, що друк будинків досі лишається експериментальною технологією потребує комплексного розгляду будівництва. Річ у тому, що навіть закладання фундаменту та зведення стін разом не є усіма роботами, які треба провести для того, аби отримати житло.
Вже після того, як будівля отримала стіни та дах у ній продовжуються роботи. В першу чергу це улаштування різноманітних комунікацій: водопостачання, каналізації, електрики, зв’язку. Ці роботи потребують не стільки витрат енергії, скільки точних і дещо складних операцій. Проводити їх за допомогою 3D-друку наразі неможливо.
Те саме стосується і встановлення вікон та дверей. Також не треба забувати про необхідність оздоблення стін та стелі. А ці роботи у сучасних будинках неможливо відділити від питань освітлення, кондиціонування повітря та улаштування інших пристроїв, які полегшують нам життя. Усі ці питання будівельні 3D-принтери вирішити не дозволяють.
Чому у космосі важко будувати
Але усе це стосується будівництва на Землі. У космосі умови для цього дуже відрізняються. Взагалі-то особливості будівництва треба розглядати окремо для кожного небесного тіла і ще, як мінімум, для кількох випадків будівництва на орбіті. Однак вже на прикладі Місяця видно основні проблеми, з якими людство може стикнутися.
Перша і найголовніша проблема яка стосується майже усіх місць за межами Землі — складність виконання людьми робіт у вакуумі чи в умовах розрідженої атмосфери. Попри десятки років досвіду будівництва на орбіті кожен вихід астронавтів за межі Міжнародної космічної станції лишається операцією, яка готується заздалегідь.
На Землі успіхи будівництва багато в чому базуються на можливості масової підготовки спеціалістів, які десятками будуть працювати на об’єкті протягом багатьох годин на тиждень, використовуючи при цьому найрізноманітніші інструменти та машини.
У космосі найскладнішою будівельною операцією досі лишається зварювання. І навіть воно вже багато десятиліть є лише експериментом. Зазвичай космонавти у своїх виходах просто з’єднують заздалегідь підігнані одна до одної деталі. Усе, що їм доводиться робити: закручувати гвинти й гайки та під’єднувати дроти до гнізд.
В принципі за тією ж технологією можна збудувати й невеличке містечко на Місяці. Саме на концепції «виготовити усе на Землі та запустити» ґрунтуються усі найближчі плани освоєння нашого супутника. Але можливості цієї схеми теж обмежені. Вона залишається вкрай витратною і чим далі від нас знаходиться планета, на якій ми збираємося будувати, тим дорожче буде коштувати кілограм матеріалу «бляшанки», у якій пропонується жити людям.
До того ж модулі зазвичай вкрай обмежені у розмірах, а довгострокове перебування передбачає зведення більших будівель. Саме тому вже зараз інженери шукають спосіб використовувати для цього місцевий матеріал.
Особливості будівництва на Місяці
Розповідаючи про будівництво на Місяці, не можна не згадати інші особливості, які впливають на можливість будувати там. Зокрема проблема фундаментів на нашому супутнику та значній частині тіл Сонячної системи у тому вигляді, як на Землі, не існує. Там немає ані тектонічних рухів, ані ґрунтів з осадових порід, які можуть просідати. Тому ця частина роботи видається значно простішою.
Так само на Місяці не треба враховувати дії опадів та вітру, яких там немає. Та й влаштовувати вікна задля освітлення приміщень немає сенсу. Зате усі будівлі варто вкривати шаром реголіту для підвищення захисту від мікрометеоритів та радіації.
Інша важлива особливість — звичний нам бетон у вакуумі застосовувати не можна через випаровування води. Тільки у спеціально облаштованих герметичних середовищах. До того ж на Місяці просто відсутні гірські породи, з яких легко можна виробити цемент. Усе це змушує дуже сильно змінити підходи для будівництва і у 3D-друку з’являється шанс.
Підбір матеріалів для космічного 3D-друку
Головне питання, яке стоїть перед розробниками будівельних 3D-принтерів для космосу — з чого вони будуть зводити споруди. Річ у тім, що звичний нам на землі бетон на основі портландцементу у вакуумі твердіти не буде. Вода з нього просто випарується. Працювати із ним можна тільки у герметичному середовищі.
Для вирішення цієї проблеми можливі два шляхи. Перший — це створення композиту на основі подрібненого місячного реголіту та клейового розчину, привезеного з Землі. Це має бути речовина, здатна полімеризуватися за відсутності води та атмосфери. Такі існують вже зараз, але на Землі їх використання обмежується дорожнечею. Але на Місяці друкувати подібними складами може бути цілком виправдано.
Другий шлях полягає у тому, щоб розплавляти місячний реголіт та інші породи і використовувати їх у 3D-принтерах. Така машина може мати бункер із подрібненим до порошкоподібного стану матеріалом та потужний лазер, який буде плавити його у необхідній точці.
Вибір базальту, як матеріалу для будівельного 3D-друку у космосі навіть більш перспективний, ніж штучних композитів. Попри великі витрати енергії таким чином можна отримати матеріали, які добре витримують розтягуючі зусилля, що дозволить використовувати їх у конструкціях без додаткового армування.
3D-принтер без рами
Застосовувати будівельні 3D-принтери на Місяці значно легше, ніж на Землі. Там немає атмосфери та, як наслідок, вітру. Крім того, гравітація там ушестеро слабша, ніж на нашій планеті. Це означає, що численні проблеми із рамою 3D-принтера тут не настільки гострі. Конструкції тут можуть бути значно тоншими та вищими, ніж ми звикли.
Проте, складні умови будівництва на нашому позбавленому атмосфери супутнику, дещо змінює ситуацію з автоматизацією будівельних робіт. Машини замість людей краще застосовувати для усіх операцій за межами станції. Тобто усе одно доведеться створювати будівельних роботів, яким доведеться задавати порядок виконання певних операцій у різних точках простору відповідно до 3D-моделі.
Тобто все одно доведеться створювати універсальних роботів. То чому б не зробити однією з їх функцій формування конструкцій з розплавлених гірських порід у заданій точці. По суті вони будуть робочими органами 3D-принтера, позбавленими рами. Для того, аби отримати можливість піднятися над поверхнею, вони можуть бути оснащені високими опорами-ногами, а то й реактивними двигунами.
Звучить дещо фантастично, але на Землі існують подібні природні «самохідні голівки 3D-принтера». Мова йде про ос, які будують своє гніздо, перемелюючи деревину щелепами та перетворюючи її на цупкий папір. Можна вкотре підгледіти конструкцію у природи й застосувати її для створення місячних поселень.
При цьому скопіювати можна не тільки ос, але і їхнє гніздо. Велика будівля на Місяці має відповідати двом основним критеріям. Вона повинна мати максимальний об’єм при мінімальній площі поверхні та при цьому її має бути зручно обсипати додатковим ґрунтом для додаткового захисту від радіації.
Найкраще цьому відповідає напівзаглиблений купол. Його форма допомагає перерозподілити навантаження та створити всередині значні об’єми. Що ще важливіше, будівлю такої форми дуже зручно формувати пошарово відповідно до створеної 3D-моделі.
Отже, у космосі, на відміну від Землі, будівельний 3D-друк цілком може не тільки застосовуватися, але й розвиватися.
Повернення на Землю
А після опрацювання у космосі ці технології цілком можуть бути застосованими й на Землі. Таке вже відбувалося в історії не один раз. Нарешті, найбільші інвестиції знадобляться на стадії розробки та випробування будівельних роботів-формувальників.
А як тільки вони стануть серійними, їх цілком можливо адаптувати для застосування на Землі. І навіть переобладнати для використання звичайного бетону замість розплаву базальтових порід. І тоді різновид 3D-друку дійсно стане популярною технологією зведення будівель на Землі.
