Технологии 3D-печати за последние два десятилетия превратились из фантастики в обычный элемент нашей жизни. Многие предлагают применять их для того, чтобы печатать дома на Земле и в космосе. Однако с реализацией этой идеи есть определенные трудности.
Как работает 3D-печать
Еще 20 лет назад идея о том, что какой-то предмет, например, чашку можно просто создать дома, просто отдав приказ компьютера, казалась людям фантастической. Однако инженеры целенаправленно работали над ее реализацией и вот уже несколько лет в качестве 3D-принтеров стали обычными не только в специализированных мастерских, но и дома у обычных людей.
С технической точки зрения 3D-принтер представляет собой разновидность станка с числовым программным управлением (ЧПУ). Этим термином обозначают устройства, производящие вещи, руководствуясь их электронными моделями без вмешательства человека.
Программа, согласно установленной 3D-модели, перемещает рабочий орган в необходимую точку координат, если нужно, возвращает его и включает на определенное время. Примером может стать фрезерный станок с ЧПУ, который вырезает из материала плоские или объемные фигуры. Именно так рождаются фанерные магниты в холодильник.
3D-принтер работает прямо противоположным способом. Вместо того чтобы удалять материал в определенной точке, он его там размещает. Обычно это капля какого-нибудь жидкого или пастообразного материала, который быстро остывает и затвердевает.
Конкретных технологий 3D-печати существует множество. Каждое из них имеет свои преимущества и недостатки и реализовано так или иначе. Благодаря этому удалось научиться печатать не только пластиком, но и керамикой, бетоном и даже металлом.
Почему бы не напечатать дом
Успехи в печати небольших предметов привели многих инженеров к идее применить машины с ЧПУ для создания чего-нибудь более масштабного, например целых домов. Причина, почему именно на них обратили внимание достаточно проста: они кажутся относительно простыми вещами, на получение которых, тем не менее, уходит много времени и человеческого труда, в результате чего они получаются слишком дорогими.
Именно экономия труда и времени считается главным преимуществом строительных 3D-принтеров. Строить их начали еще десятилетие тому назад и достаточно быстро получили первые рабочие образцы. Но дальше экспериментов дело так и не пошло.
Причин этого несколько и все они связаны с тем фактом, что масштаб и назначение у декоративной пластиковой фигурки и здания в десять метров высотой достаточно разные. И именно размер — это проблема, которую понять легче всего.
Проблема рамы принтера
Для того чтобы разместить рабочий орган 3D-принтера в определенной точке, его нужно смонтировать на чем-то, что позволит ему свободно передвигаться в трех плоскостях, полностью перекрывая определенное пространство.
Обычно в доступных для домашнего использования устройствах он представляет собой формующую головку, которая ездит по раме вправо-влево-вперед-назад и способна подниматься и опускаться. При этом наша фигурка должна полностью находиться внутри этой конструкции и, в большинстве случаев, закрыта корпусом.
А теперь представьте, что то же нужно повторить для печати 5-этажного дома. Рама такого принтера должна быть значительно больше самого дома. А по ней еще должна ездить немалая формовочная головка. При этом вся эта конструкция не должна шататься под собственным весом, который будет немалым. Все это заставляет делать его еще более массивным.
В свою очередь, передвигать элементы рамы в нужное положение имеют достаточно мощные и сложные электродвигатели. Им необходимо обеспечить питание от электросети и ремонт. Поэтому обслуживать их на высоте имеет команда механиков и электриков.
Самую интересную проблему можно увидеть, если отследить, что происходит, когда печать на домашнем 3D-принтере закончена. Мы достаем нашу фигурку из устройства. С домом мы так поступить не можем. Но и оставлять всю конструкцию как есть мы не можем. Она нужна в другом месте, где будет возводиться следующий дом. А здесь она только есть источник опасности.
То есть фактически «напечатать дом» будет представлять собой процесс сборки и отладки работы гигантского механизма. Далее он условно «без участия людей» печатает наше жилье. А после этого его нужно осторожно разобрать. И чем больше дом, тем затратнее эти операции.
Из чего строить?
Следующий вопрос, который нужно решить, прежде чем начать печатать дома: а какой материал для этого использовать. Пластик, используемый в домашних аппаратах с точки зрения самого процесса превращения в конструкцию, был бы самым простым и понятным вариантом.
Пластик легко плавится и застывает. У него есть свои преимущества и недостатки, но главный изъян перекрывает их все. Пластик дорогой. Вся экономия на рабочей силе, которой теоретически можно было бы достичь «съедаемой» стоимостью самого материала. Поэтому использовать его для держательных конструкций здания, объем которых может достигать сотен кубических метров просто нецелесообразно.
Следующими идут металлы и базальты. Первые немного крепче и дороже, вторые — немного дешевле и хрупче, но в обоих случаях преимущества одни и те же. Это прочные и долговечные материалы, но тяжелые и дорогие. А тот факт, что сырье для печати ими нужно подавать в виде порошкообразного материала и в формовочной головке спекать лазером делает их использование еще более сложным.
Несколько проще формировать стены из вязкой глины. Технология примерно та же, что и с пластиком, но большая проблема в том, что для того, чтобы конструкция не размокала от дождей, его нужно подвергать термической обработке, проще говоря, выжигать. На это идет куча энергии и в процессе стены могут просто треснуть.
Остается материал, наиболее широко используемый в строительстве — бетон. Это композит, в котором твердые силикатные породы в виде песка и щебня соединяются в один массив «склеиваясь» с помощью цементного камня в один массив.
Показатели прочности и стойкости бетона к разным средам достаточно средние по сравнению с другими адгезивными материалами, известными людям. Но и цена у него не слишком облачная. Ни один из конкурентов не может даже приблизиться к этому набору свойств по той же цене. Это и приводит к тому, что именно из него строят по всему миру.
Проблемы с бетоном
Люди достаточно неплохо научились управлять свойствами бетонной смеси. Поэтому не трудно сделать ее достаточно «жесткой», чтобы из нее можно было послойно формировать предметы так же как это происходит с пластиком.
Но есть у бетона одно свойство, которое давно известно и может сильно помешать его использованию при 3D-печати. Он неплохо выдерживает сжимающие его силы, но растяжению не может хорошо сопротивляться. А оно возникает в очень неожиданных местах.
Каждый изгиб конструкции означает ее растяжение в определенной точке. Поэтому даже если сформировать оконный или дверной проем с верхней частью, она после застывания бетона все равно будет трескаться под тяжестью всего, что находится выше ее. Придется строить окна с арочным верхом как в старых постройках, а это потребует увеличить высоту помещений.
Та же проблема возникает и с перекрытиями. Их придется делать либо очень толстыми и тяжелыми, либо в виде сводов и арок. Все это, опять же, значительно повысит расход материалов на их сооружение и уменьшит полезный объем здания.
Для обычных технологий возведения зданий, проблема давно решена. Внутрь бетонного массива, там, где возникает растяжение, вмешивают металлические стержни. Это называется арматурой, а материал, который при этом получают — железобетоном.
Но вставить арматуру через 3D-принтер просто невозможно. Размещать ее приходится вручную. И для больших построек рабочим может даже понадобиться кран. То есть, все преимущества ЧПУ просто исчезают.
Проблема фундамента
Есть еще одна проблема, мешающая концепции «приехали и начали печатать дом прямо на месте». Дом весит много тонн. И просто поставить его стены на грунт в большинстве случаев не получится. Он начнет медленно погружаться в землю и хорошо, если это происходит равномерно. Если нет, то по нему просто последуют трещины.
Предотвратить это имеет конструкция под названием фундамент, которая предназначена для передачи нагрузки на заранее уплотненный грунт. Перед этим нужно проводить геологические исследования, укреплять основание под фундамент или просто ждать. Обычно это длительный процесс, который занимает больше времени, чем собственно возведение стен. И применение 3D-принтера в большинстве случаев его ничуть не ускоряет.
Именно эта проблема почти полностью нивелирует преимущества использования 3D-принтеров на Земле. Неважно, что возведение стен вместо 6 недель требует всего 6 суток, если перед этим устройство фундаментов требует 6 месяцев.
Чего не может сделать 3D-печать
Еще одна причина того, что печать домов до сих пор остается экспериментальной технологией, требует комплексного рассмотрения строительства. Дело в том, что даже закладка фундамента и возведение стен вместе не являются всеми работами, которые нужно провести для того, чтобы получить жилье.
Уже после того, как здание получило стены и крышу в нем продолжаются работы. В первую очередь это устройство различных коммуникаций: водоснабжения, канализации, электричества, связи. Эти работы требуют не столько затрат энергии, сколько точных и несколько сложных операций. Проводить их с помощью 3D-печати пока невозможно.
То же касается и установки окон и дверей. Также не нужно забывать о необходимости отделки стен и потолка. А эти работы в современных домах невозможно отделить от освещения, кондиционирования воздуха и устройства других устройств, которые облегчают нам жизнь. Все эти вопросы строительные 3D-принтеры решить не разрешают.
Почему в космосе тяжело строить
Но это касается строительства на Земле. В космосе условия для этого сильно разнятся. Вообще-то особенности строительства следует рассматривать отдельно для каждого небесного тела и еще как минимум для нескольких случаев строительства на орбите. Однако уже на примере Луны видны основные проблемы, с которыми человечество может столкнуться.
Первая и самая главная проблема, касающаяся почти всех мест за пределами Земли — сложность выполнения людьми работ в вакууме или в условиях разреженной атмосферы. Несмотря на десятки лет опыта строительства на орбите, каждый выход астронавтов за пределы Международной космической станции остается заранее готовящейся операцией.
На Земле успехи строительства во многом основываются на возможности массовой подготовки специалистов, которые десятками будут работать на объекте в течение многих часов в неделю, используя при этом самые разные инструменты и машины.
В космосе самой сложной строительной операцией до сих пор остается сварка. И даже оно уже многие десятилетия является только экспериментом. Обычно космонавты в своих выходах просто соединяют заранее подогнанные друг к другу детали. Все, что им приходится делать: завинчивать винты и гайки и подсоединять провода к гнездам.
В принципе, по той же технологии можно построить и небольшой городок на Луне. Именно на концепции «изготовить все на Земле и запустить» основываются все ближайшие планы освоения нашего спутника. Но возможности этой схемы тоже ограничены. Она остается крайне затратной и чем дальше от нас находится планета, на которой мы собираемся строить, тем дороже будет стоить килограмм материала «жестянки», в которой предлагается жить людям.
К тому же модули обычно крайне ограничены в размерах, а долгосрочное пребывание предполагает строительство больших зданий. Поэтому уже сейчас инженеры ищут способ использовать для этого местный материал.
Особенности строительства на Луне
Рассказывая о строительстве на Луне, нельзя не упомянуть другие особенности, влияющие на возможность строить там. В частности, проблема фундаментов на нашем спутнике и значительной части тел Солнечной системы в том виде как на Земле, не существует. Там нет ни тектонических движений, ни почв из осадочных пород, которые могут проседать. Поэтому эта часть работы кажется гораздо проще.
Так же на Луне не нужно учитывать действия осадков и ветра, которых там нет. Да и устраивать окна для освещения помещений нет смысла. Зато все постройки следует укрывать слоем реголита для повышения защиты от микрометеоритов и радиации.
Другая важная особенность — привычный нам бетон в вакууме применять нельзя из-за испарения воды. Только в специально обустроенных герметичных средах. К тому же на Луне просто отсутствуют горные породы, из которых легко можно выработать цемент. Все это заставляет очень сильно изменить подходы к строительству и у 3D-печати появляется шанс.
Подбор материалов для космической 3D-печати
Главный вопрос, который стоит перед разработчиками строительных 3D-принтеров для космоса — с чего они будут возводить постройки. Дело в том, что привычный нам на Земле бетон на основе портландцемента в вакууме твердеть не будет. Вода из него просто улетучится. Работать с ним можно только в герметичной среде.
Для решения этой проблемы возможны два пути. Первый — это создание композита на основе измельченного лунного реголита и клеевого раствора, привезенного с Земли. Это должно быть вещество, способное полимеризоваться при отсутствии воды и атмосферы. Такие существуют уже сейчас, но на земле их использование ограничивается дороговизной. Но на Луне печатать схожими составами может быть полностью оправдано.
Второй путь состоит в том, чтобы расплавлять лунный реголит и другие породы и использовать их в 3D-принтерах. Такая машина может иметь бункер с измельченным до порошкообразного состояния материалом и мощный лазер, который будет плавить его в нужной точке.
Выбор базальта в качестве материала для строительной 3D печати в космосе даже более перспективен, чем искусственных композитов. Несмотря на большие затраты энергии, таким образом можно получить материалы, которые хорошо выдерживают растягивающие усилия, что позволит использовать их в конструкциях без дополнительного армирования.
3D-принтер без рамы
Применять строительные 3D-принтеры на Луне гораздо легче, чем на Земле. Там нет атмосферы и, как следствие, ветра. Кроме того, гравитация там в шесть раз слабее, чем на нашей планете. Это означает, что многие проблемы с рамой 3D-принтера здесь не столь острые. Конструкции здесь могут быть более тонкими и выше, чем мы привыкли.
Однако сложные условия строительства на нашем лишенном атмосферы спутнике несколько изменяет ситуацию с автоматизацией строительных работ. Машины вместо людей лучше применять для всех операций вне станции. То есть все равно придется создавать строительные роботы, которым придется задавать порядок выполнения определенных операций в разных точках пространства в соответствии с 3D-моделью.
То есть все равно придется создавать универсальных роботов. Так почему бы не сделать одной из их функций формирование конструкций из расплавленных горных пород в заданной точке. По сути, они будут рабочими органами 3D-принтера, лишенными рамы. Для того чтобы получить возможность подняться над поверхностью, они могут быть оснащены высокими опорами-ногами, а то и реактивными двигателями.
Звучит несколько фантастически, но на Земле существуют подобные природные «самоходные головки 3D-принтера». Речь идет об ос, которые строят свое гнездо, перемалывая древесину челюстями и превращая ее в плотную бумагу. Можно еще раз подсмотреть конструкцию у природы и применить ее для создания лунных поселений.
При этом скопировать можно не только ос, но и их гнездо. Большое здание на Луне должно соответствовать двум основным критериям. Она должна иметь максимальный объем при минимальной площади поверхности и при этом ее следует удобно обсыпать дополнительной почвой для дополнительной защиты от радиации.
Лучше всего этому соответствует полууглубленный купол. Его форма помогает перераспределить нагрузку и создать значительные объемы внутри. Что еще более важно, здание такой формы очень удобно формировать послойно в соответствии с созданной 3D-моделью.
Таким образом, в космосе, в отличие от Земли, строительная 3D-печать вполне может не только применяться, но и развиваться.
Возвращение на Землю
А после проработки в космосе эти технологии вполне могут быть применены и на Земле. Такое уже происходило в истории не раз. Наконец, самые большие вложения потребуются на стадии разработки и испытания строительных роботов-формировщиков.
А как только они станут серийными, их вполне можно адаптировать к применению на Земле. И даже переоборудовать для использования обыкновенного бетона вместо расплава базальтовых пород. И тогда разновидность 3D-печати действительно станет популярной технологией строительства зданий на Земле.
