Звездный свет, звездный свет... Давайте построим дом на Луне сегодня ночью!
20 июля 1969 года астронавт Нил Армстронг стал первым человеком, ступившим на Луну. В течение следующих трех лет по его стопам пошли еще 11 человек. Однако астронавты не возвращались на Луну почти 50 лет. С тех пор ученые говорят о том, чтобы отправить людей обратно на Луну или даже на Марс. Некоторые ученые хотят основать в космосе постоянные колонии на случай, если ресурсы на Земле когда-нибудь закончатся. Но как построить места для жизни и работы в местности, где нет ни строительных материалов, ни оборудования, ни рабочей силы? Одним из перспективных решений может стать трехмерная печать.
Что такое 3D-печать?
Возможно, вы уже слышали о трехмерной (3D) печати - новом способе производства вещей, которыми мы пользуемся каждый день. 3D-печать можно использовать для изготовления игрушек, продуктов питания, человеческих органов и многого другого! 3D-принтеры выдавливают материал, такой как пластик, металл или дерево, послойно, чтобы сделать 3D-объекты. Знаете ли вы, что 3D-печать также используется для строительства домов, офисов и других зданий? Этот метод строительства с помощью 3D-печати был изобретен в 1998 году, но за последние 5 лет он получил настоящее развитие. С помощью 3D-печати из строительных материалов, таких как бетон, формируются стены, элементы, такие как балки и колонны, и даже целые здания. Нет предела типам и формам конструкций, которые может создать 3D-печать (рис. 1).
Некоторые ученые хотят создать в космосе постоянные колонии и структуры на случай, если ресурсы на Земле когда-нибудь закончатся. К конструкциям, которые могут пригодиться в космосе, относятся убежища, ангары для шаттлов, дороги, посадочные и стартовые площадки, а также стены для защиты от взрывов [ 1 ]. По мере того как люди будут проводить в космосе все больше времени, могут потребоваться и более сложные сооружения, в том числе исследовательские лаборатории, гаражи, теплицы и другие долговременные здания.
3D-печать в космосе имеет два больших преимущества по сравнению с традиционным строительством. Во-первых, здания можно печатать из материалов, найденных в космосе, таких как щебень и пыль. Во-вторых, 3D-печать не требует большого количества рабочих. Это означает, что колонии могут быть готовы к заселению астронавтами еще до их прибытия.
Космические материалы: Лунный камень и многое другое
Космические шаттлы и ракеты имеют ограниченное грузовое пространство и летают не слишком часто, поэтому отправка грузов в космос стоит дорого. На самом деле, отправка грузов на Марс стоит до 1 миллиона долларов за килограмм [ 2 ]! По этой причине строительство из космических материалов может сэкономить миллиарды долларов. Три распространенных космических материала - реголит, базальт и сера (рис. 2). Ученые работают над технологией сбора и переработки этих материалов для использования в строительстве.
Реголит - это слой щебня и пыли, образовавшийся на поверхности Луны после многовековых ударов микрометеоритов. Это самый простой и распространенный материал, используемый в космических 3D-печатных конструкциях. Базальт - это магматическая горная порода, то есть он образуется в процессе течения лавы. Он составляет примерно 26 % поверхности ближней стороны Луны. Базальт противостоит солнечному излучению и может быть использован для создания герметичных конструкций. Сера - материал, распространенный на Марсе. Ее иногда используют в бетоне, чтобы другие ингредиенты лучше скреплялись.
Потенциальных строительных материалов в космосе предостаточно. Однако армирующих материалов, таких как сталь, там нет. На Земле сталь придает зданиям дополнительную прочность, помогая им противостоять растягивающим усилиям, которые называются силами натяжения или растяжения. Без стали бетонные конструкции могут треснуть и сломаться. Чтобы уменьшить потребность в стали, можно спроектировать здания на сжатие [ 3 ]. Сжатие противоположно растяжению. Оно возникает, когда бетон нагружается весом и уплотняется (сжимается под действием нагрузки). Двумя примерами конструкций, основанных на сжатии, являются арки и купола.
На рисунке 3 показано, как железобетонная балка может испытывать как сжатие, так и растяжение. Балки являются основной частью многих зданий, они поддерживают вес, например, полы, крыши и людей. Поскольку гравитация на Луне на 83 % слабее, чем на Земле, космические конструкции испытывают меньшие растягивающие и сжимающие усилия. Это позволяет инженерам печатать более легкие и тонкие конструкции и использовать меньше материалов [3].
Строительство принтерами для людей
3D-печать может быть использована для строительства колоний на Луне и Марсе еще до прибытия людей. Заблаговременное строительство поможет обезопасить астронавтов, когда они прибудут в космос. Например, здания защищают астронавтов от солнечной радиации и космического мусора. В герметичных зданиях астронавты смогут жить и работать без скафандров.
В отличие от людей, принтерам не нужны воздух, вода и пища. Это позволяет экономить деньги и упрощает строительство помещений. Кроме того, в отличие от людей, принтерам не нужно останавливаться для отдыха. Это означает, что 3D-печать может быть завершена быстрее, чем обычное строительство. По сравнению с людьми принтеры также более надежны и последовательны. При правильном программировании принтеры уменьшают количество ошибок, повышают безопасность и улучшают качество строительства. Более качественное строительство с меньшим количеством ошибок означает меньше времени и денег, потраченных на исправление того, что не было сделано правильно с первого раза.
Как печатать
В 2015 году NASA пригласило команды со всего мира принять участие в конкурсе 3D-печати. Конкурс назывался 3D-Printed Habitat Challenge, а призовой фонд составил 2,5 миллиона долларов. Соревнование проходило в три этапа. Сначала каждая команда представила свой лучший проект среды обитания. Затем команды разрабатывали материалы для печати, основываясь на том, что доступно в космосе. И наконец, команды напечатали свои проекты в 3D-формате, используя свои материалы. Цель конкурса заключалась в том, чтобы улучшить способ, которым НАСА будет строить конструкции в космосе. В итоге некоторые идеи оказались более успешными, чем другие. Однако каждая идея помогла NASA понять, что может работать в космосе, а что нет. Например, купольная и пузырьковая конструкции выглядят многообещающе. Команды успешно использовали как космические материалы, так и переработанный мусор в своих печатных смесях. Однако в будущем NASA предстоит решить одну большую проблему - масштабируемость, или возможность создания конструкций в натуральную величину. Инженеры знают, что конструкции, которые хорошо работают в моделях, не всегда так же хороши, когда построены в натуральную величину. NASA и такие компании, как Made in Space, работают над улучшением масштабируемости 3D-печатных конструкций.
Одним из возможных подходов к космической 3D-печати является метод, называемый контурной печатью. При контурной печати материал сначала выдавливается слоями. Затем с помощью встроенных инструментов, называемых шпателями, слои формируются в гладкие поверхности. Процесс заглаживания позволяет получить более качественные готовые конструкции. Контурная обработка заинтересовала NASA по трем основным причинам. Во-первых, это один из самых надежных и проверенных методов 3D-печати на Земле. Во-вторых, с его помощью можно безопасно и дешево напечатать необходимые конструкции. В-третьих, контурная печать работает с такими космическими материалами, как реголит.
Одна исследовательская группа хочет объединить контурную печать с роботизированной системой под названием ATHLETE [ 4 ]. ATHLETE расшифровывается как All-Terrain Hex-Limbed Extra-Terrestrial Explorer. ATHLETE - "All-Terrain", потому что он может передвигаться по неровной лунной или планетарной поверхности. "Шестипалый" означает, что у ATHLETE шесть рук. Эти руки позволяют ему использовать несколько инструментов для навигации и сборки компонентов. Наконец, термин "внеземной" означает, что ATHLETE предназначен для использования в космосе. Он собирает энергию солнца и использует ее в качестве возобновляемого источника питания. Это означает, что его не нужно подключать к сети или снабжать топливом для работы.
Заглядывая в будущее
3D-печать в космосе сталкивается с рядом уникальных проблем. Трудно печатать в среде с низкой гравитацией [1]. Принтеры нуждаются во встроенной избыточности (дополнительных деталях) на случай поломки. Если проблемы все же возникнут, принтеры должны быть легко ремонтируемыми. Принтеры должны быть достаточно прочными, чтобы работать при экстремальных температурах, пыльных бурях и лунотрясениях [1]. Наконец, если принтеры будут беспилотными, ими нужно уметь управлять с Земли. Это означает, что они должны быть способны работать и поддерживать связь на больших расстояниях и без задержек [3].
В настоящее время строительство с помощью 3D-принтеров находится на стадии, называемой доказательством концепции и проверкой [1]. Это означает, что ученые все еще изучают возможности 3D-печати и то, будет ли она работать в космосе. Чтобы направить развитие 3D-печати, они поставили несколько целей на будущее. К 2040 году ученые хотят начать использовать 3D-печатные конструкции для строительства космических колоний. К 2065 году, как надеются ученые, космическая 3D-печать сможет поддерживать колонии в течение длительного времени. Наконец, ученые считают, что к 2115 году 3D-печатные конструкции в космосе будут полностью независимы от людей и ресурсов Земли [ 5 ]!
Тем временем разработка надежного метода 3D-печати для космоса помогает развивать 3D-печать на Земле. Например, строительство убежищ в космосе научит нас более эффективным способам строительства недорогих и качественных домов на Земле. А найдя способы сбора космических материалов, мы сможем улучшить способы получения ресурсов на Земле. Это позволяет ускорить, удешевить и улучшить строительство на Земле и в космосе. Проще говоря, строительство с помощью 3D-печати - это нечто из ряда вон выходящее!
