Как работает 3D-печать в космосе и как она поможет колонизировать Луну и Марс

Как работает 3D-печать в космосе

Задумайтесь на мгновение: если человечество планирует колонизировать другие планеты, возможно ли перевозить все необходимое, преодолевая миллионы километров холодного космоса? Представьте космические базы, построенные прямо на месте с помощью 3D-печати с использованием местных ресурсов. Уже сегодня такие проекты перестают быть фантастикой и становятся частью реальных планов по освоению космоса. В этой статье мы рассмотрим, как работает 3D-печать в космосе, в чем заключается особенность печати металлом и почему именно это направление обещает огромный прорыв в строительстве на Марсе и Луне.

Зачем печатать в космосе?

Когда речь идет об исследовании космоса, обычно представляется, что каждая деталь создается на Земле, а затем отправляется на орбиту или дальше — на Луну, Марс и за их пределы. Однако стоимость каждого килограмма груза для космических миссий достигает миллионов долларов, а место на космическом корабле строго ограничено.

3D-печать предлагает решение сразу двух проблем: экономит объем перевозимого груза и позволяет изготавливать необходимые детали и инструменты непосредственно на орбите или в будущем на поверхности других планет. Нет необходимости запасать десятки видов болтов, гаек и корпусных элементов — достаточно доставить в космос сырье (например, металл в виде порошка) и иметь принтер, способный создавать из него фактически любые объекты.

Демонстрация технологии SLA-печати. Изображение: CNET

Преимущества 3D-печати вне Земли

1. Экономия топлива и пространства: вместо большого количества отдельных деталей или инструментов поставляются только расходные материалы и 3D-принтер.

2. Оперативность: нужная деталь изготавливается по требованию. Если на станции что-то вышло из строя, не придется ждать следующего «грузовика» с Земли.

3. Гибкость подхода: одна и та же установка способна печатать инструменты, детали корпусов, опытные образцы и даже декоративные элементы.

Особенности технологии для Марса и Луны

На Земле все относительно просто: у нас есть гравитация, разнообразные материалы и привычные условия для работы с оборудованием. Но в космосе, а особенно на Марсе или Луне, ситуация отличается:

  • Пониженная (или почти отсутствующая) гравитация: это влияет на процесс спекания порошка при печати металлом и на поведение жидких компонентов.
  • Экстремальные температуры: резкие перепады тепла и холода могут сказаться на качестве изделий, а также на надежности самого принтера.
  • Нехватка ресурсов: вода и другие составляющие очень ценны. Надо максимально использовать местные материалы: реголит (лунный или марсианский грунт) в сочетании с привезенным металлом или связующими веществами.

Печать из местного грунта

Ученые и инженеры активно разрабатывают методы использования лунного или марсианского реголита в качестве сырья для 3D-печати. В сочетании с небольшим количеством связующего материала реголит можно спечь в «кирпичи» или другие формы. Это перспективное направление для строительства жилых модулей и инфраструктуры. Однако когда речь идет о высоко нагруженных элементах и сложных механизмах, возникает потребность в более прочных и надежных материалах — и здесь на помощь приходит 3D-печать металлом.

Слева изображен реголит; справа — реголит после того, как из него был удален практически весь кислород, оставив смесь металлических сплавов. Изображение: ESA

В чем особенность 3D-печати металлом?

3D-печать металлом — это гораздо сложнее, чем просто напечатать стальную фигурку. Технологический процесс предполагает послойное спекание или плавление металлического порошка с помощью лазера или электронного луча. Один из распространенных методов — селективное лазерное плавление (Selective Laser Melting, SLM). Каждый слой металлического порошка толщиной в десятки микрон равномерно наносится, а лазер (или электронный луч) выборочно плавит участки, формируя сплошной металл в заданных пределах будущей детали.

Изделия по технологии SLS-печати. Изображения: 3ddevice

Почему это важно для космоса?

1. Прочность и надежность: металл выдерживает большие перегрузки и резкие перепады температур, которые часто случаются в космических условиях.

2. Специализированные сплавы: на Земле уже используются титан-алюминиевые, никелевые (например, Inconel) и другие высокопрочные сплавы для аэрокосмической промышленности. Возможность печатать из них на Марсе или Луне значительно облегчит обслуживание космических баз и аппаратов.

3. Оптимальное использование материала: в аддитивном производстве металла почти не остается отходов. Это особенно критично, когда на счету каждый грамм.

Реальные примеры и успешные разработки

Хотя колонизация других планет пока не состоялась, исследования в области 3D-печати металлом в космосе продолжаются полным ходом.

1. NASA и Made In Space. NASA совместно с компанией Made In Space, которую в июне 2020 года приобрела Redwire (созданная в результате слияния Deep Space Systems и Adcole Space), уже давно испытывает 3D-принтеры на борту Международной космической станции (МКС). Первые эксперименты были сосредоточены на печати пластиком, но теперь разрабатываются устройства, способные работать с металлическими порошками.

2. ESA (Европейское космическое агентство). Европейские специалисты исследуют возможности использования лунного реголита в сочетании с лазерным спеканием. Есть планы модифицировать эту технологию для создания более прочных металлических компонентов, ведь на МКС и будущих космических базах постоянно нужны надежные металлические запчасти.

Образец 3D-печати металлом с МКС. Изображение: ESA

3. Частные компании. SpaceX, Blue Origin и другие также активно применяют 3D-печать металлом на Земле для производства ракетных компонентов (например, камер сгорания двигателей) и рассматривают возможность адаптации тех же технологий для космических производственных площадок.

Основные трудности

Несмотря на очевидные преимущества, технология еще не является идеальной для использования за пределами Земли.

  • Микрогравитация: высокоточная работа с порошком в невесомости может быть затруднена. Порошок разлетается без действия гравитации, поэтому нужны специальные камеры и системы улавливания.
  • Потребление энергии: для плавления металла необходимы лазеры большой мощности. В космосе источники энергии ограничены, а на Марсе или Луне придется тщательно планировать энергосеть.
  • Безопасность: металлическая пыль и выделение газов во время высокотемпературного плавления могут представлять опасность для космонавтов. Зона печати должна быть герметично защищена.
  • Транспортировка исходного порошка: даже если часть металла можно будет добывать на месте, пока непонятно, как именно перерабатывать его в нужное состояние (порошковую форму) непосредственно на Марсе или Луне.

Перспективы: как 3D-печать поможет освоить Марс и Луну

Как только технология 3D-печати металлом станет достаточно надежной и безопасной, она позволит создавать на месте все необходимое для обустройства космических поселений.

  • Строительные конструкции: рамы, каркасы, модули для соединения жилых и лабораторных помещений.
  • Ремонтные детали: выходить в открытый космос для ремонта сложных механизмов станет проще, если нужные запчасти можно «напечатать» по требованию.
  • Системы жизнеобеспечения: элементы фильтрации воды и воздуха, а также оборудование для переработки ресурсов.
  • Исследовательские инструменты: марсоходы и луноходы смогут обновлять детали ходовой части или научного оборудования, используя местные ресурсы и 3D-принтер.

Аналогия с «космическим конструктором»

Представьте себе большой «космический конструктор», похожий на детские блоки LEGO, только вместо готовых элементов в коробке — металлический порошок и программируемый принтер. Из этих «кирпичиков» будущие поселенцы смогут собирать все: от опорных ферм до сложных трубопроводных систем.

Иллюстрация инфраструктуры на Марсе с использованием конструкций из 3D-печати. Изображение: NASA

Будущее уже рядом

В Украине 3D-печать металлом инженеры активно используют в коммерческих проектах с 2021 года. Его главное преимущество — возможность реализации инженерных решений, которые ранее считались невозможными в рамках традиционных методов производства: литья, фрезерования и т.д.

Благодаря топологической оптимизации 3D-печать позволяет создавать детали сложной геометрии как при 3D-печати пластиком, уменьшать вес конструкций и одновременно обеспечивать высокую прочность титана, в частности используя высокотехнологичные сплавы. Несмотря на высокую стоимость и относительную новизну для широкой общественности, эта технология является настоящим прорывом в современном производстве, открывая инженерам новые горизонты для создания инновационных решений.

Топологическая оптимизация типового кронштейна. Изображение: Engineering

3D-печать в космосе, в частности металлами, открывает путь к настоящему прорыву в освоении других планет. Если удастся решить вопросы энергоснабжения, безопасности и добычи местных ресурсов, на Луне и Марсе появятся полноценные «фабрики» под открытым небом.

В перспективе это позволит:

  • Развернуть масштабное строительство космической инфраструктуры.
  • Быстрее и дешевле проводить исследования и эксперименты.
  • Создавать новые типы космических кораблей и модулей прямо «на месте», без возвращения на Землю.

3D-печать в космосе — технология, которая в корне может изменить правила игры относительно колонизации Луны и Марса. Ее преимущества уже понятны: экономия ресурсов, независимость от земных поставок и огромный потенциал для создания сложных металлических конструкций. Конечно, еще предстоит решить множество вопросов, связанных с безопасностью, добычей и переработкой материалов, а также обеспечением энергетических ресурсов. Впрочем, интерес к этой сфере растет, а исследования приносят все более вдохновляющие результаты. Если заглянуть в историю, увидим, что каждая промышленная революция была связана с новыми технологиями, которые позволяли быстрее и эффективнее создавать вещи. Сегодня мы на пороге новой революции — и 3D-принтер с металлическим порошком стоит на переднем крае этого прорыва.

Мощная солнечная буря образовала новые радиационные пояса Земли
Слияние нейтронных звезд порождает чистые тона гравитационного камертона
Астрофотограф запечатлел эпичный транзит МКС над южным полюсом Луны
Астронавты впервые на Twitch: NASA приглашает на уникальное событие с МКС
Как два Млечных Пути: астрономы обнаружили гигантский джет в ранней Вселенной
Квантовый прогноз: смерть Вселенной наступит при переходе к истинному вакууму
Как заставить инопланетных микробов двигаться
Самая массивная структура во Вселенной оказалась похожей на артефакт инков
Иногда обломки космических ракет могут поражать пассажирские самолеты
Астрономы получили изображение «космической паутины» в высоком разрешении