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

Как работает 3D-печать в космосе

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.

Демонстрація технології SLA-друку. Зображення: CNET

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.

Oxygen and metal from lunar regolith
Ліворуч зображений реголіт; праворуч — реголіт після того, як з нього був вилучений практично весь кисень, залишивши суміш металевих сплавів. Зображення: ESA

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. 

Вироби за технологією SLS-друку. Зображення: 3ddevice

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.
Зразок 3D-друку металом з МКС. Зображення: ESA
  1. 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.

3D Habitat Team LavaHive
Ілюстрація інфраструктури на Марсі з використання конструкцій із 3D-друку. Зображення: NASA

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.

Топологічна оптимізація типового кронштейну. Зображення: Engineering

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.

Новини інших медіа
Місяць – свідок катастрофи: наш супутник утворився до зіткнення Землі із Теєю
Битва з гравітацією: екіпаж Starliner із підірваним здоров’ям звикає до Землі
Галактика навколо галактики: James Webb зазнімкував неймовірний космічний міраж
Радіація та холод: SpaceX відправить астронавтів у недосліджені полярні висоти
Прощавай, Gaia! ESA навмисно зламала космічну обсерваторію
Протопланетні диски набагато менші, ніж вважалося раніше
Загадка космічного світанку: James Webb виявив галактику, що розсіяла туман раннього Всесвіту
Перерваний політ: космічний корабель Cygnus зазнав пошкоджень під час транспортування
Подивіться вгору: 27 березня на небі може спалахнути нова T Північної Корони
Телескоп Hubble сфотографував Малу Магелланову Хмару