Усі, хто хоч трохи цікавиться астрономією, напевно, чули про епопею космічного телескопа Джеймса Вебба (James Webb Space Telescope — JWST). Надзвичайно дорога обсерваторія мала відправитися в космос ще вісім років тому, але суттєво затрималася на Землі. Причина цього — вкрай складна конструкція телескопа. Через великі габарити його головне дзеркало та теплозахисний екран просто «не влізають» під головний обтічник ракети Ariane 5. У результаті конструкторам довелося зробити їх складаними. Космічний апарат «збагатився» тисячами нових деталей. Несправність кожної з них могла призвести до краху місії, що завдало би величезної шкоди репутації NASA (не кажучи вже про витрачені даремно мільярди доларів). Не дивно, що інженери не раз намагалися перевірити всі конструкційні елементи. А це, у свою чергу, призводило до все нових і нових затримок запуску.
Уже невдовзі у такого підходу має з’явитися вельми перспективна альтернатива. Замість того, щоб запускати за допомогою великої ракети громіздку конструкцію зі складним механізмом розгортання чи збирати якусь споруду з окремих частин, виведених на орбіту в ході кількох запусків, її виготовлятимуть прямо в космосі. Наразі це звучить як фантастика, але за останні роки людство зробило ряд важливих кроків, які впритул наблизили нас до того, щоб організувати справжнє космічне виробництво.
Made In Space
Усі розмови про виробництво в космосі необхідно починати з компанії Made In Space. На відміну від, скажімо, SpaceX, її назва практично невідома широкому загалу, що певною мірою несправедливо. Адже ця компанія є справжнісіньким першопрохідцем, який випробував низку новітніх технологій, що в перспективі здатні суттєво змінити наші уявлення про космічну індустрію.
Made In Space була заснована у серпні 2010 року. Ця назва чудово передає основну мету компанії — розроблення технологій для створення різноманітних деталей і приладів в умовах мікрогравітації з використанням 3D-друку. Такі технології значною мірою прискорили би процес освоєння навколоземної орбіти та всієї Сонячної системи.
Навесні 2011 року в розпорядженні Made In Space з’явилася лабораторія в Дослідницькому центрі ім. Еймса (Ames Research Center — ARC). Потім компанія уклала контракт для участі у програмі Flight Opportunities Program, фінансованої NASA. В його межах вона отримала можливість провести випробування експериментального 3D-принтера на спеціально обладнаному літаку, призначеному для імітації перебування в невагомості (астронавти NASA жартома називали цей літак «блювотною кометою»). Під час рейсів пілоти скеровують повітряне судно на параболічну траєкторію «вільного падіння», що дозволяє приблизно на 20-30 секунд створити ефект відсутності сили тяжіння.
Загалом інженери Made In Space здійснили понад 400 польотів по параболічних траєкторіях. Їхні надії повністю виправдалися. Експерименти наочно продемонстрували можливість 3D-друку в невагомості. У результаті компанія заслужила новий грант — уже за програмою SBIR (Small Business Innovation Research). Він надав їй можливість випробувати свій 3D-принтер в умовах реальної невагомості на навколоземній орбіті.
21 вересня 2014 року до Міжнародної космічної станції вирушив черговий безпілотний корабель постачання Dragon. Серед безлічі вантажів, що перебували на його борту, був і 3D-принтер, створений інженерами Made In Space. За два місяці по тому відбулася історична подія — агрегат успішно надрукував деталь на борту орбітального комплексу. Через місяць він «узяв участь» в іншому історичному досягненні: астронавти надрукували на ньому храповий механізм. Його виготовлення відрізнялося від аналогічних операцій тим, що цього разу файл із необхідною інформацією не відправили на станцію на жорсткому носії (SD-карті), а передали за допомогою інтернету.
3D-принтера 25 листопада 2014 року. Джерело: NASA
Успішні випробування 3D-принтера на МКС серйозно змінили усталені «правила гри». Підкорювачі космосу отримали можливість самостійно створювати потрібні пристрої та інструменти, не чекаючи, поки їх «привезуть» на наступному кораблі з Землі. Це дозволило членам екіпажу економити час й ефективніше виконувати поставлені завдання. З 2016 року на станції запрацював справжнісінький друкувальний цех, що отримав назву Additive Manufacturing Facility (AMF). З його допомогою члени екіпажу вже виготовили кілька сотень інструментів, пристроїв і компонентів. Наприклад, під час досліджень впливу радіації на датчики надувного модуля BEAM астронавти надрукували на 3D-принтері ряд щитків різної товщини, а потім використовували їх як протирадіаційні екрани.
Не дивно, що NASA вирішила розширити співробітництво з компаніями, які розробляють подібні технології. Кілька років тому агентство ініціювало програму Archinaut. Її метою є створення на орбіті виробничого центру, здатного друкувати великі конструкції не в житлових модулях, а безпосередньо у космічному просторі. Крім Made In Space, її учасниками також є Northrop Grumman і Oceaneering Space Systems.
У 2017 році Made In Space здолала ще одну важливу віху, збудувавши та успішно випробувавши перший в історії 3D-принтер, здатний функціонувати у безповітряному просторі. У межах місячного тесту, що проводився всередині вакуумної камери ARC, фахівцям компанії вдалося надрукувати полімерні прутки.
Того ж року Made In Space відправила на МКС новий принтер, призначений для виробництва оптичного волокна. Він був розроблений у співпраці з компанією Allevi. Особливість проєкту полягає в тому, що продукція цього принтера призначена не для космосу, а для використання на Землі. За словами представників компаній, вироблене у невагомості оптоволокно має кращу пропускну здатність, ніж виготовлене в умовах земного тяжіння. У липні 2019 року був зроблений наступний крок. NASA підписала з Made In Space новий контракт на загальну суму 73,7 млн доларів. У його межах компанія побудує космічний апарат Archinaut One, оснащений 3D-принтером. Після виходу на навколоземну орбіту він повинен надрукувати дві десятиметрові сонячні батареї, на кшталт тих, що встановлюються на супутниках ESPA. Для запуску апарата, запланованого на 2022 рік, буде використана ракета Electron.
Успіх Archinaut One може дуже серйозно вплинути на всю космічну індустрію. Річ у тім, що габарити сонячних батарей лишаються одним із факторів, який обмежує розміри стартуючих апаратів. Перенесення їхнього виробництва в космос дозволить зняти це обмеження, що позитивно позначиться на багатьох технічних характеристиках супутників. Крім того, з’явиться можливість створення на орбіті великих конструкцій, які неможливо доставити за межі атмосфери за допомогою ракети.
Майбутнє космічного друку
Будівництво великогабаритних конструкцій і виробництво деталей супутників — звичайно, дуже перспективна, та все ж далеко не єдина сфера можливостей космічних принтерів. Ця технологія може знайти своє застосування й у безлічі інших галузей. Серед них — пілотовані місії у глибокий космос. Наразі NASA займається реалізацією програми Artemis. Її головна мета — будівництво навколомісячної пілотованої орбітальної станції з подальшою висадкою людини поблизу південного полюса Місяця з перспективою створення там постійного поселення. Одна з основних проблем, що заважає реалізації цієї та інших подібних масштабних програм, полягає у справді астрономічній вартості доставки будь-яких вантажів із Землі на Місяць.
Найочевидніше рішення проблеми — виготовлення необхідних компонентів безпосередньо на місці. Так, для спорудження місячної бази можна було б використовувати не доставлені модулі, а блоки, «надруковані» з реголіту за допомогою спеціалізованих 3D-принтерів. Відповідні проєкти вже розробляються в США, Європі та Китаї. Навіть більше, у майбутньому подібна технологія знадобилася б під час будівництва марсіанського поселення.
Але можливості 3D-друку не обмежуються використанням «простих» матеріалів. Made In Space займається розробленням прототипу принтера наступного покоління SMM (Satellite Manufacturing Machine). Він зможе створювати складні конструкції, що потребуватимуть кількох вихідних матеріалів і міститимуть електронні компоненти. Компанія вже провела перші тести SMM на «блювотній кометі». Подібний мультипринтер, безумовно, знадобився б у далеких космічних місіях. З його допомогою екіпаж зміг би ремонтувати свій міжпланетний корабель, виготовляти складні пристрої, деталі конструкцій і навіть будувати власні дослідницькі апарати — наприклад, невеликі посадкові зонди.
3D-друк можна застосовувати й для лиття в невагомості. Made In Space уже запатентувала інноваційний метод «примусового осадження», за допомогою якого розплавлений метал заливається у спеціальні форми для отримання необхідних деталей складної конфігурації. Хоча цей спосіб і нагадує традиційну технологію, але не варто забувати, що за відсутності сили тяжіння розплав поводиться абсолютно не так, як на Землі. Передбачається, що метод дозволить створювати принципово нові металеві сплави, які неможливо виготовити в умовах земної гравітації. Інша цікава можливість — використання 3D-принтерів для виготовлення оптичних елементів і керамічних деталей. Останні можна застосувати, зокрема, в теплозахисті космічного корабля.
Ще один украй важливий напрямок — перероблення матеріалів у невагомості. Воно пов’язане з процесами, за яких вихідна речовина (наприклад, астероїдний реголіт) подрібнюється для подальшого використання або ж компактного зберігання. Розвиток цієї технології дозволить створювати космічні фабрики, що займаються переробленням астероїдної речовини чи, скажімо, місячного ґрунту. З нього можна було би видобувати рідкоземельні метали, паливо для космічних кораблів і кисень для екіпажів.
На завершення необхідно згадати про біопринтери — пристрої, призначені для створення живих тканин. Їх можна використовувати для проведення різних медичних експериментів, спрямованих на вивчення впливу космічного середовища на клітини людського організму. Крім того, вважається, що низька гравітація забезпечує сприятливі умови для виробництва штучних органів.
Наприкінці 2018 року російська компанія 3D Bioprinting Solutions відправила на МКС перший біопринтер «Орган.Авт». Космонавт Олег Кононенко успішно використав його для друку шести людських хрящів і шести мишачих щитовидних залоз.
У 2019 році на МКС з’явився другий біопринтер, розроблений американськими компаніями Techshot і nScrypt за підтримки NASA. Він буде використовуватися в експериментах з 3D-друку серцевих тканин. Компанії також планують створити «заплатки», які можна було би використовувати для лікування вроджених дефектів серця чи наслідків травм і хвороб (наприклад, інфарктів). У довгостроковій перспективі Techshot збирається надрукувати на орбіті повноцінне штучне серце, придатне для пересадки людині. Компанія планує досягти цієї мети до 2025 року.
