Сделано в космосе. Как «напечатать» спутник на орбите

Все, кто хоть немного интересуется астрономией, наверняка слышали про эпопею космического телескопа James Webb (James Webb Space Telescope). Сверхдорогая обсерватория должна была отправиться в космос еще восемь лет тому назад, однако основательно задержалась на Земле. Причина этого — крайне сложная конструкция телескопа. Ввиду больших габаритов его зеркало и теплозащитный экран попросту «не влезают» под головной обтекатель ракеты Ariane 5. В результате конструкторам пришлось сделать их складными. Космический аппарат «обогатился» тысячами новых деталей. Неисправность любой из них могла привести к краху миссии, что нанесло бы огромный ущерб репутации NASA (не говоря уже о потраченных напрасно миллиардах долларов). Неудивительно, что инженеры стремились многократно проверить и перепроверить каждый конструкционный элемент. А это, в свою очередь, приводило ко все новым и новым задержкам запуска.

Уже в скором времени у такого подхода должна появиться весьма перспективная альтернатива. Вместо того, чтобы запускать с помощью большой ракеты громоздкую конструкцию со сложным механизмом развертывания или же собирать какое-то сооружение из отдельных частей, выведенных на орбиту в ходе нескольких запусков, ее будут изготавливать прямо в космосе. Пока это звучит как фантастика, но за последние годы человечество сделало ряд важных шагов, вплотную приблизивших нас к тому, чтобы организовать настоящее космическое производство.

Made In Space

Любой разговор о производстве в космосе необходимо начинать с компании Made In Space. В отличие от, например, SpaceX, ее название практически неизвестно широкой публике, что в определенной степени несправедливо. Ведь эта компания является самым настоящим первопроходцем, опробовавшим ряд новаторских технологий, которые в перспективе способны существенно изменить наши представления о космической индустрии.

Made In Space была основана в августе 2010 года. Название неплохо передает основную цель компании — разработка технологий для создания различных деталей и устройств в условиях микрогравитации с использованием 3D-печати. Такие технологии в значительной степени ускорили бы процесс освоения околоземной орбиты и всей Солнечной системы.

Испытание 3D-принтера в «рвотной комете» — самолете, в котором проводятся полеты по параболической траектории с имитацией невесомости. Стены, пол и потолок отделаны мягким материалом. Источник: nature.com

Весной 2011 года Made In Space обзавелась лабораторией в Исследовательском центре им. Эймса (Ames Research Center — ARC). Затем был заключен контракт для участия в программе Flight Opportunities Program, финансируемой NASA. В его рамках компания получила возможность провести испытания экспериментального 3D-принтера на специально оборудованном самолете, предназначенном для имитации пребывания в невесомости (астронавты NASA в шутку называли этот самолет «рвотной кометой»). Во время полета пилоты направляют воздушное судно на параболическую траекторию «свободного падения», что позволяет примерно на 20-30 секунд создать эффект отсутствия силы тяжести.

В общей сложности инженеры Made In Space совершили свыше 400 полетов по параболическим траекториям. Их надежды полностью оправдались. Эксперименты наглядно продемонстрировали возможность 3D-печати в невесомости. В результате компания удостоилась нового гранта — уже по программе SBIR (Small Business Innovation Research). Он предоставил ей возможность испытать свой 3D-принтер в условиях реальной невесомости на околоземной орбите.

В ноябре 2014 года астронавт NASA Батч Уилмор (Butch Wilmore) установил 3D-принтер, изготовленный компанией Made In Space, в лабораторном модуле Columbus американского сегмента МКС. Источник: NASA

21 сентября 2014 года к Международной космической станции отправился очередной беспилотный корабль снабжения Dragon. Среди множества находившихся на его борту грузов был и 3D-принтер, построенный инженерами Made In Space. Двумя месяцами позже произошло историческое событие — агрегат успешно напечатал деталь на борту орбитального комплекса. Спустя месяц он «поучаствовал» в другом историческом достижении: астронавты напечатали на нем храповой механизм. Его изготовление отличалось от аналогичных операций тем, что в этот раз файл с необходимой информацией не отправили на станцию на жестком носителе (SD-карте), а передали посредством интернета.

Батч Уилмор держит в руках первую деталь, отпечатанную на борту МКС с помощью
3D-принтера 25 ноября 2014 года. Источник: NASA

Успешные испытания 3D-принтера на МКС серьезно изменили давно устоявшиеся «правила игры». Покорители космоса получили возможность самостоятельно создавать нужные предметы и инструменты, не дожидаясь, пока их «привезут» на следующем корабле с Земли. Это позволило членам экипажа экономить время и более эффективно выполнять поставленные задачи. В 2016 году на МКС заработал самый настоящий печатный цех, получивший название Additive Manufacturing Facility (AMF). С его помощью экипаж станции уже изготовил несколько сотен инструментов, устройств и компонентов. Например, во время исследований воздействия радиации на датчики надувного модуля BEAM астронавты напечатали на 3D-принтере ряд щитков разной толщины, а затем использовали их в качестве противорадиационных экранов.

Когда экипажу МКС понадобился «нестандартный» гаечный ключ, уже не нужно было дожидаться корабля снабжения, чтобы доставить его с Земли — Батч Уилмор успешно «отпечатал» инструмент на 3D-принтере. Электронный чертеж, по которому производилась печать, астронавту прислали из Центра управления 21 декабря 2014 года. Источник: NASA

Неудивительно, что NASA решила расширить сотрудничество с компаниями, разрабатывающими подобные технологии. Несколько лет назад агентство инициировало программу Archinaut. Ее целью является создание на орбите производственного центра, способного печатать крупные конструкции не в жилых модулях, а непосредственно в космическом пространстве. Помимо Made In Space, ее участниками также являются Northrop Grumman и Oceaneering Space Systems.

В 2017 году Made In Space преодолела еще одну важную веху, построив и успешно испытав первый в истории 3D-принтер, способный функционировать в безвоздушном пространстве. В рамках месячного теста, проводившегося внутри вакуумной камеры ARC, специалистам компании удалось напечатать полимерные прутья.

Стереолитографический 3D-принтер (SLA). Источник: 3dPrint.com

В том же году Made In Space отправила на МКС новый принтер, предназначенный для производства оптического волокна. Он был разработан в сотрудничестве с компанией Allevi. Особенность проекта заключается в том, что продукция этого принтера предназначена не для космоса, а для использования на Земле. По словам представителей компаний, произведенное в условиях невесомости оптоволокно обладает лучшей пропускной способностью, чем изготовленное при земной силе тяжести. В июле 2019-го был сделан следующий шаг. NASA подписала с Made In Space новый контракт на общую сумму 73,7 млн долларов. В его рамках компания построит космический аппарат Archinaut One, оснащенный 3D-принтером. После выхода на околоземную орбиту он должен напечатать две десятиметровые солнечные батареи, аналогичные тем, которые устанавливаются на спутники ESPA. Для запуска аппарата, запланированного на 2022 год, будет использована ракета Electron.

Космический аппарат Archinaut One должен изготовить собственные солнечные панели, уже находясь на околоземной орбите. Источник: Made In Space

Успех Archinaut One может оказать очень серьезное влияние на всю космическую индустрию. Дело в том, что габариты солнечных батарей остаются одним из факторов, лимитирующих размеры запускаемых аппаратов. Перенос их производства в космос позволит снять это ограничение, что положительно скажется на многих технических характеристиках спутников. Кроме того, появится возможность создания на орбите крупных конструкций, которые невозможно доставить в космос при помощи ракеты.

Будущее космической печати

Строительство крупногабаритных конструкций и производство деталей спутников — конечно, весьма перспективная, но все же далеко не единственная сфера приложения усилий космических принтеров. Эта технология может найти свое применение и во множестве других областей. Среди них — пилотируемые миссии в глубокий космос. В настоящее время NASA занимается реализацией программы Artemis. Ее главная цель — строительство окололунной пилотируемой орбитальной станции с последующей высадкой человека вблизи южного полюса Луны и дальнейшей перспективой создания там постоянного поселения. Одна из основных проблем, мешающих реализации этой и других подобных масштабных программ, заключается в поистине астрономической стоимости доставки любых грузов с Земли на Луну.

Наиболее очевидное решение проблемы — изготовление необходимых компонентов непосредственно на месте. Так, для сооружения лунной базы можно было бы использовать не привозные модули, а блоки, «напечатанные» из реголита при помощи специализированных 3D-принтеров. Соответствующие проекты уже разрабатываются в США, Европе и Китае. Более того, в будущем подобная технология пригодилась бы и при строительстве марсианского поселения.

Так в представлении художника выглядит купол лунной базы, построенный с использованием технологии 3D-печати. Источник: ESA/Foster + Partners

Возможности 3D-печати не ограничиваются исключительно использованием «простых» материалов. Made In Space занимается разработкой прототипа принтера следующего поколения SMM (Satellite Manufacturing Machine). Он будет создавать сложные конструкции, состоящие из нескольких материалов и содержащие электронные компоненты. Компания уже провела первые тесты SMM на «рвотной комете». Подобный мультипринтер, безусловно, стал бы весьма существенным подспорьем для дальних космических миссий. С его помощью экипаж смог бы ремонтировать свой межпланетный корабль, производить сложные устройства, детали конструкций и даже строить собственные исследовательские аппараты — например, небольшие посадочные зонды.

3D-печать можно применять и для литья в невесомости. Made In Space уже запатентовала инновационный метод «принудительного осаждения», с помощью которого расплавленный металл можно заливать в специальные формы для получения необходимых деталей сложной конфигурации. Хоть этот способ и напоминает традиционную технологию, но не стоит забывать, что при отсутствии силы тяжести расплав ведет себя совершенно не так, как на Земле. Предполагается, что метод позволит создавать принципиально новые металлические сплавы, которые нельзя изготовить в условиях земной гравитации. Другая интересная возможность — использование 3D-принтеров для изготовления оптических элементов и керамических деталей. Последние можно применить, в частности, в теплозащите космического корабля.

Гаечный ключ, изготовленный с помощью установленного на МКС 3D-принтера. Источник: NASA/Made In Space/Lowe’s

Еще одно крайне важное направление — переработка материалов в невесомости. Оно связано с процессами, при которых исходное вещество (например, астероидный реголит) измельчается для дальнейшего использования либо же компактного хранения. Развитие этой технологии позволит создавать космические фабрики, занимающиеся переработкой астероидного вещества или, скажем, лунного грунта. Из него можно было бы добывать редкоземельные металлы, топливо для космических кораблей и кислород для экипажей.

В завершение необходимо упомянуть о биопринтерах — устройствах, предназначенных для создания живых тканей. Их можно использовать для проведения различных медицинских экспериментов, направленных на изучение влияния космической среды на клетки человеческого организма. Кроме того, считается, что низкая гравитация обеспечивает благоприятные условия для производства искусственных органов.

В конце 2018 года российская компания 3D Bioprinting Solutions отправила на МКС первый биопринтер «Орган.Авт». Космонавт Олег Кононенко успешно использовал его для печати шести человеческих хрящей и шести щитовидных желез мыши.

Результат работы трехмерного биопринтера. Источник: newatlas.com

В 2019 году на МКС появился второй биопринтер, разработанный американскими компаниями Techshot и nScrypt при поддержке NASA. Он будет использоваться в экспериментах по 3D-печати сердечных тканей. В качестве промежуточного результата компании планируют создать «заплатки», которые можно было бы использовать для лечения врожденных дефектов сердца или последствий травм и болезней (например, инфарктов). В долгосрочной перспективе Techshot собирается напечатать на МКС полноценное искусственное сердце, пригодное для пересадки человеку. Компания планирует достичь этой цели к 2025 году.

Новый квантовый компьютер установил рекорд скорости действия
Blue Origin демонстрирует технологию вертикальной посадки ракеты New Glenn: видео
Космическое кольцо: астрономы сфотографировали гиперсветящуюся галактику
Похищение «Луны-2»: как ЦРУ разузнали секреты советской космической программы под носом у КГБ
Ученые обнаружили недалеко от Солнца невероятно быстрый объект
Галактика-конструктор: телескоп Hubble сфотографировал необычного соседа Млечного Пути
Астронавты будут оставаться на борту МКС во время падения в атмосферу Земли
Не замечали 55 лет: пенсионер обнаружил ошибку в старой видеоигре Lunar Lander
Новый солнечный цикл уже мог начаться
Ученые нашли способ предсказывать самые тяжелые магнитные бури