Як працює 3D-друк у космосі та як він допоможе колонізувати Місяць і Марс

Замисліться на мить: якщо людство планує колонізувати інші планети, чи можливо перевозити все необхідне, долаючи мільйони кілометрів холодного космосу? Уявіть космічні бази, збудовані прямо на місці з допомогою 3D-друку з використанням місцевих ресурсів. Уже сьогодні такі проєкти перестають бути фантастикою й стають частиною реальних планів з освоєння космосу. У цій статті ми розглянемо, як працює 3D-друк у космосі, у чому полягає особливість друку металом і чому саме цей напрям обіцяє величезний прорив у будівництві на Марсі та Місяці.

Навіщо друкувати у космосі?

Коли йдеться про дослідження космосу, зазвичай уявляється, що кожна деталь створюється на Землі, а потім відправляється на орбіту чи далі — на Місяць, Марс і за їхні межі. Проте вартість кожного кілограма вантажу для космічних місій сягає мільйонів доларів, а місце на космічному кораблі суворо обмежене.

3D-друк пропонує розв’язання одразу двох проблем: економить обсяг перевезеного вантажу й дає змогу виготовляти необхідні деталі та інструменти безпосередньо на орбіті або в майбутньому на поверхні інших планет. Немає потреби запасати десятки видів болтів, гайок і корпусних елементів — достатньо доправити в космос сировину (наприклад, метал у вигляді порошку) та мати принтер, здатний створювати з нього фактично будь-які об’єкти.

Переваги 3D-друку поза Землею

1. Економія палива та простору: замість великої кількості окремих деталей чи інструментів постачаються лише витратні матеріали й 3D-принтер.
2. Оперативність: потрібна деталь виготовляється на вимогу. Якщо на станції щось вийшло з ладу, не доведеться чекати наступної «вантажівки» із Землі.
3. Гнучкість підходу: одна й та сама установка здатна друкувати інструменти, деталі корпусів, дослідні зразки та навіть декоративні елементи.

Особливості технології для Марса і Місяця

На Землі все відносно просто: у нас є гравітація, різноманітні матеріали та звичні умови для роботи з обладнанням. Але в космосі, а особливо на Марсі чи Місяці, ситуація відрізняється:

• Знижена (або майже відсутня) гравітація: це впливає на процес спікання порошку під час друку металом та на поведінку рідких компонентів.
• Екстремальні температури: різкі перепади тепла й холоду можуть позначитися на якості виробів, а також на надійності самого принтера.
• Брак ресурсів: вода й інші складники дуже цінні. Треба максимально використовувати місцеві матеріали: реголіт (місячний або марсіанський ґрунт) у поєднанні з привезеним металом чи сполучними речовинами.

Друк із місцевого ґрунту

Науковці та інженери активно розробляють методи використання місячного або марсіанського реголіту як сировини для 3D-друку. У поєднанні з невеликою кількістю сполучного матеріалу реголіт можна спікати у «цеглини» або інші форми. Це перспективний напрям для будівництва житлових модулів та інфраструктури. Однак коли йдеться про високо навантажені елементи й складні механізми, виникає потреба у більш міцних і надійних матеріалах — і тут на допомогу приходить 3D-друк металом.

У чому особливість 3D-друку металом?

3D-друк металом — це набагато складніше, ніж просто надрукувати сталеву фігурку. Технологічний процес передбачає пошарове спікання або плавлення металевого порошку за допомогою лазера або електронного променя. Один із поширених методів — селективне лазерне плавлення (Selective Laser Melting, SLM). Кожен шар металевого порошку товщиною у десятки мікронів рівномірно наноситься, а лазер (або електронний промінь) вибірково плавить ділянки, формуючи суцільний метал у заданих межах майбутньої деталі. 

Чому це важливо для космосу?

1. Міцність і надійність: метал витримує великі перевантаження й різкі перепади температур, які часто трапляються в космічних умовах.
2. Спеціалізовані сплави: на Землі вже використовуються титан-алюмінієві, нікелеві (наприклад, Inconel) й інші високоміцні сплави для аерокосмічної промисловості. Можливість друкувати з них на Марсі чи Місяці значно полегшить обслуговування космічних баз та апаратів.
3. Оптимальне використання матеріалу: в адитивному виробництві металу майже не залишається відходів. Це особливо критично, коли на рахунку кожен грам.

Реальні приклади та успішні розробки

Хоча колонізація інших планет поки що не відбулася, дослідження в галузі 3D-друку металом у космосі тривають на повну.

1. NASA та Made In Space. NASA спільно з компанією Made In Space, яку в червні 2020 року придбала Redwire (створена в результаті злиття Deep Space Systems і Adcole Space), вже давно випробовує 3D-принтери на борту Міжнародної космічної станції (МКС). Перші експерименти були зосереджені на друку пластиком, але тепер розробляються пристрої, здатні працювати з металевими порошками.
2. ESA (Європейська космічна агенція). Європейські фахівці досліджують можливості використання місячного реголіту в поєднанні з лазерним спіканням. Є плани модифікувати цю технологію для створення більш міцних металевих компонентів, адже на МКС та майбутніх космічних базах постійно потрібні надійні металеві запчастини.

3. Приватні компанії. SpaceX, Blue Origin та інші також активно застосовують 3D-друк металом на Землі для виробництва ракетних компонентів (наприклад, камер згоряння двигунів) і розглядають можливість адаптації тих же технологій для космічних виробничих майданчиків.

Основні труднощі

Попри очевидні переваги, технологія ще не є ідеальною для використання за межами Землі.

• Мікрогравітація: високоточна робота з порошком у невагомості може бути ускладнена. Порошок розлітається без дії гравітації, тому потрібні спеціальні камери та системи уловлювання.
• Споживання енергії: для плавлення металу необхідні лазери великої потужності. У космосі джерела енергії обмежені, а на Марсі або Місяці доведеться ретельно планувати енергомережу.
• Безпека: металевий пил та виділення газів під час високотемпературного плавлення можуть становити небезпеку для космонавтів. Зона друку має бути герметично захищена.
• Транспортування початкового порошку: навіть якщо частину металу можна буде добувати на місці, поки що незрозуміло, як саме переробляти його в потрібний стан (порошкову форму) безпосередньо на Марсі чи Місяці.

Перспективи: як 3D-друк допоможе освоїти Марс і Місяць

Щойно технологія 3D-друку металом стане досить надійною та безпечною, вона дозволить створювати на місці все необхідне для облаштування космічних поселень.

• Будівельні конструкції: рами, каркаси, модулі для з’єднання житлових і лабораторних приміщень.
• Ремонтні деталі: виходити у відкритий космос для ремонту складних механізмів стане простіше, якщо потрібні запчастини можна «надрукувати» на вимогу.
• Системи життєзабезпечення: елементи фільтрації води та повітря, а також обладнання для перероблення ресурсів.
• Дослідницькі інструменти: марсоходи та місяцеходи зможуть оновлювати деталі ходової частини або наукового обладнання, використовуючи місцеві ресурси та 3D-принтер.

Аналогія з «космічним конструктором»

Уявіть собі великий «космічний конструктор», схожий на дитячі блоки LEGO, тільки замість готових елементів у коробці — металевий порошок і програмований принтер. Із цих «цеглинок» майбутні поселенці зможуть збирати все: від опорних ферм до складних трубопровідних систем.

Майбутнє вже поруч

В Україні 3D-друк металом інженери активно використовують в комерційних проєктах з 2021 року. Його головна перевага — можливість реалізації інженерних рішень, які раніше вважалися неможливими в межах традиційних методів виробництва: лиття, фрезерування тощо.

Завдяки топологічній оптимізації 3D-друк дозволяє створювати деталі складної геометрії як при 3D- друці пластиком, зменшувати вагу конструкцій і водночас забезпечувати високу міцність титану, зокрема використовуючи високотехнологічні сплави. Попри високу вартість та відносну новизну для широкого загалу, ця технологія є справжнім проривом у сучасному виробництві, відкриваючи інженерам нові горизонти для створення інноваційних рішень.

3D-друк у космосі, зокрема металами, відкриває шлях до справжнього прориву в освоєнні інших планет. Якщо вдасться розв’язати питання енергопостачання, безпеки та видобутку місцевих ресурсів, на Місяці й Марсі з’являться повноцінні «фабрики» просто неба.

У перспективі це дозволить:

• Розгорнути масштабне будівництво космічної інфраструктури.
• Швидше й дешевше проводити дослідження та експерименти.
• Створювати нові типи космічних кораблів і модулів прямо «на місці», без повернення на Землю.

3D-друк у космосі — технологія, здатна докорінно змінити правила гри у справі колонізації Місяця і Марса. Її переваги вже зрозумілі: економія ресурсів, незалежність від земних поставок і величезний потенціал для створення складних металевих конструкцій. Звісно, ще належить розв’язати безліч питань, пов’язаних із безпекою, видобутком і переробкою матеріалів, а також забезпеченням енергетичних ресурсів. Утім, інтерес до цієї сфери зростає, а дослідження приносять усе більш надихаючі результати. Якщо зазирнути в історію, побачимо, що кожна промислова революція була пов’язана з новими технологіями, які дозволяли швидше й ефективніше створювати речі. Сьогодні ми на порозі нової революції — і 3D-принтер із металевим порошком стоїть на передньому краї цього прориву.