Что такое космическая 3D-печать и почему без нее не обойтись при заселении других планет.
– Хьюстон, у нас проблемы. Моя отвертка летит в вакуум. Можете мне прислать новую?
– Да, ты цены на доставку груза в космос видел? А если Марс улетишь колонизировать, тоже просить о «передачку»? Бери с собой 3D-принтер и печатай себе там что хочешь!
Успешный пуск Falcon Heavy делает перспективу полета далеко за пределы Земли значительно реальнее. Однако, для того, чтобы поселиться на орбите Луны или на Марсе маловато будет одной только суперракеты. Как ни странно, must have для будущих астронавтов – это 3D принтер!
Печать в космосе – это вам не игрушки
Туда-сюда ездит печатающая головка, слой за слоем превращая смоделированный 3D-объект в его материальное воплощение – так работают 3D-принтеры. Казалось бы, все с ними просто. Но не в условиях нулевой или микрогравитации. Вместо того, чтобы лечь в нужную форму, ваши «чернила» – пластик, глина, стекло, живые клетки – что угодно! – соберется в один ком и повиснет на экструдере (машина для формирования пластических материалов с помощью продавливания (экструзии) через профилировочный инструмент – экструзионную головку).
Для того, чтобы печать в космосе был возможным, детали балансируют мощной струей воздуха (вместо гравитации) и печатают с крепких и устойчивых материалов – не все виды пластика, которые используют на Земле, подойдут. И с металлом нелегко: здесь тебе не просто «нагрев и печатаешь». Нужен порошок, частицы которого будут примерно одинаковых размеров, иметь сферическую форму (или будут приближенными к ней) и еще будут сыпучими. Но это никогда не останавливало тех, у кого на космос серьезные планы.
Сначала был экструдер
В сентябре 2014 года космический корабль SpaceX Dragon доставил на МКС 3D-принтер Portal, который имеет размеры небольшой микроволновки. Его для NASA создала компания Made in Space. «Это не репликатор из” Стартрек “, но выглядит, как шаг в этом направлении», – писали на сайте NASA.
Установку принтера завершили 17 ноября, и за неделю он наконец выдал что-то полезное – лицевую панель экструдера печатающей головки для своей конструкции. Астронавты вздохнули с облегчением: принтер сможет не только подогнать все необходимое для станции, но и подготовить запасные детали для своего ремонта на всякий случай.
Круче, чем 3D-принтер на МКС
3D-принтер способен перерабатывать собственные отходы и снова печатать с них нужные вещи. Именно таков Refabricator (с англ. – переработчик – ред.): NASA установила его для переработки пластиковых отходов в материал для 3D-печати. Устройство может перерабатывать также пластиковые упаковки, ведь в основном в таком упаковке нужны для исследований и жизни материалы попадают на МКС . Если не удалось напечатать инструмент с первого раза, и его надо переделать, можно «перелипиты» старый. Поэтому на практике иметь производство без отходов.
Круче 3D-принтер, который перерабатывает собственные отходы, может быть только 3D-принтер, перерабатывает отходы космонавтов. Так, речь идет именно о фекалии. Ученые из канадского Университета Калгари разрабатывают технологию, которая с помощью ГМ-бактерий (генетически модифицированные – ред.) Позволит утилизировать отходы жизнедеятельности команды, превращая их в биополимер для 3D-печати. Кроме того, компания Made in Space разработала The ZeroGravity – принтер, умеющий печатать в вакууме в условиях низкой гравитации. Маленький шаг для печатающей иглы – большой шаг для человечества.
После выхода в открытый космос The ZeroGravity сможет напечатать антенну размером с футбольное поле.
Еще одним проектом, расширит наши возможности в космосе, будет принтер-роборукой, название которого Archinaut. Можно представить себе Архинавта, как смельчака, который занимается своими важными делами в полной пустоты холодного, темного и тихого вакуума. Такая технология пока только в планах, однако гигантская роботических рука действительно мастерить телескопы, спутники и большие объекты – даже больше, чем размеры самой роборукой. Генеральный директор Made in Space Эндрю Раш говорил, что можно будет изготовить объект, который не выдержал бы на Земле собственного веса. В условиях невесомости таких проблем не будет.
Archinaut сам отправится в космос, ведь будет не просто принтер, но и ракета. В исследовательском центре Эймс NASA тестируют прототип, для таких испытаний в лаборатории даже есть вакуумная камера.
Раз мы уже заговорили о ракетах
В марте 2018-го в Центре Маршала провели огневые испытания двигателя, сопло которого напечатали на 3D-принтере за 10 дней и 18 часов, нанеся 8255 слоев медного порошка. Полученное сопло смогло выдержать температуру около 300 ° C, ведь в каналах его стенок прокачивается охлаждающий газ с температурой лишь на 100 ° C выше абсолютного нуля.
Есть еще один пример применения 3D-принтеров в космических разработках. Компания RocketLab использует трехмерный печать в изготовлении элементов ракетного двигателя «Резерфорд» – для ракеты-носителя Electron. Все основные детали – камеру, трубопроводы, форсуночных головку для этой ракеты печатают на принтере. Кроме того, Европейское космическое агентство в этом году успешно испытало двигатель Berta, полностью напечатанный на 3D-принтере.
А самым двигателем, изготовленным таким образом, в настоящее время является британский Orbex. И амбициозные цели по использованию 3D-принтеров в ракетно-космической инде-стрии ставит себе американский стартап Relativity Space. Эти ребята планируют напечатать целую ракету, сократив количество деталей из ста тысяч до одной. Сейчас они уже напечатали и испытали вместе с NASA ракетный двигатель Aeon, а в планах – печать ракет прямо на Марсе.
А что там с Марсом?
Мы уже много знаем о поверхности Луны, и лететь нам к нему всего три дня. Почему бы не построить там базу и не заселить ее людьми? Настроим обсерваторий с телескопами, что из-за отсутствия атмосферы, давать четкие изображения удаленных кусков Вселенной. Все это было бы хорошо напечатать на 3D-принтере, да еще и желательно так, чтобы работы прибыли первыми и все для нас сделали, а уже при необходимости мы напечатаем себе необходимое оборудование, инструменты, одежду и даже еду.
Однако будет нам там с чего печатать? Ученые из Северо-Западного университета в Чикаго продемонстрировали такую возможность. Они приобрели в NASA имитаторы месячного и марсианской пыли, которые те использовали для испытаний своих аппаратов и зондов. По форме, размерам и составу эти частицы напоминают те, что на Луне или на Марсе, – порошок из реголита, тамошнего грунта. Их удалось использовать как материал для 3D-печати. Ученые даже получили элементы, стыковались друг с другом, как детали Lego.
Исследователи из Европейского космического агентства также уже не первый год экспериментируют с реголитом как материалом для 3D-печати. Их недавно напечатанные детали имеют максимальное разрешение из всех образцов, напечатанных на 3D-принтере из материала, похожего на лунный грунт. И это очень важно, ведь технологии последовательного наложения слоев при печати в кос-мических миссиях требуют как можно большей точности.
Если все пойдет хорошо, месячные колонизаторы будут печатать из лунного грунта запчасти, инструменты и даже дома.
Китайские ученые также планируют создать базу на Луне с помощью 3D-принтеров.
Уже четыре миссии «Чанъэ» позади: во время последней из них удалось высадиться на обратную сторону Луны. «Чанъэ-5» запустят в этом году – зонд должен принести на Землю лунный камень. Седьмая по счету миссия займется изучением состава почвы и особенностей лунных пород, а уже в миссии «Чанъэ-8» китайские ученые испытывают ключевые технологии для строительства исследовательской базы на Луне и оценят перспективы методов 3D-печати там. А там и до Марса недалеко – по крайней мере эти знания точно пригодятся.
На Марсе, за миллионы километров от дома, где Relativity Space планируют печатать свои ракеты, 3D-принтеры будут строить поселения, не дожидаясь помощи с Земли. А как же давать себе совет колонизаторы в чрезвычайных ситуациях?
И здесь без них не обойтись
Колонизаторы и Луны, и Марса, вполне вероятно, будут жить в своих поселениях годами, рискуя получить различные травмы. Проект под руководством ESA уже исследует возможность использования 3D-принтеров для биодруку. С их помощью можно было бы изготовить фрагмент кожи из клеток пациента. В перспективе такой подход применять и к травмам костей, и органов (а впоследствии и обеспечить их пересадку и полноценную работу).
А на МКС с недавних пор есть «Орган.Авт», который уже умудрился в условиях микрогравитации успешно напечатать образцы хрящевой ткани человека и щитовидной железы мыши.
Похоже, с этими новыми друзьями, которые умеют и в нулевой гравитации работать, и с реголита печатать, и отходы перерабатывать, а еще кучу всего учатся, в принципе, не страшно осваивать новые территории. Поэтому полетели!
