Строительство в космосе с помощью лазерного "оригами"

Между программой NASA Artemis, российско-китайскими планами по созданию Международной лунной исследовательской станции (ILRS) и долгосрочной целью ESA по созданию Лунной деревни, сообщение ясно: мы возвращаемся на Луну, и на этот раз, чтобы остаться! Особенно для NASA, дела идут полным ходом после успешного полета миссии Artemis II и недавнего объявления администратора NASA Джареда Айзекмана о том, что NASA построит Лунную базу к 2030-м годам.

Проблемы строительства на лунной поверхности хорошо известны, и это привело к некоторым креативным решениям. Популярный подход — это синтерование, форма 3D-печати, в которой лазеры сплавляют исходный материал (в данном случае лунный реголит) в строительные материалы. В Университете Флориды исследователи изучают, как лазеры могут помочь астронавтам превратить местную почву в стекло и керамику, которые затем будут использоваться для строительства лунной базы. Их подход получил прозвище "оригами" из-за того, как он сгибает материалы без необходимости в дополнительном оборудовании.

Работу возглавляет Виктория М. Миллер, доктор философии, доцент в Колледже инженерии Герберта Уэртхайма и исследователь в Институте космических исследований UF Astraeus. В её команде работают Натан Фрипп, Тяньчэнь Вэй и Бенджамин А. Бегли, исследователи из Департамента материаловедения и инженерии UF. Их научная статья "Контроль предсгибочного задержки при лазерной формовке листового металла в различных атмосферах" была опубликована в конце апреля в журнале Springer Nature Link.

Вид на будущую Лунную базу, которая может быть произведена и поддерживаться с помощью 3D-печати. Кредит: ESA/RegoLight/Liquifer Systems Group

Команда недавно завершила исследовательский этап, финансируемый DARPA, сосредоточенный на процессе производства, известном как лазерная формовка. Этот процесс использует лазеры для сгибания материалов без физического контакта, и команда изучала, как атмосферные условия влияют на его производительность. Это важный вопрос, учитывая, что технология является частью более широких усилий по созданию космического производства на орбите и на других небесных телах с очень разреженной атмосферой (таких как Луна).

Лазерная формовка предлагает множество возможностей для строительства в космосе, поскольку она легкая и гибкая, что снижает стоимость запуска компонентов. Короче говоря, процесс использует концентрированные инфракрасные лазеры (тепло) для сгибания материалов в новые формы без форм, тяжелого оборудования или прямой физической силы. Во время исследовательского этапа команда протестировала технологию на лунном реголите и симулянте камня, что оказалось очень успешным в сгибании лунного стекла.

Как отметила Миллер в пресс-релизе UF News, это помогает преодолеть ограничения традиционного строительства, которые гораздо более значительны в космосе:

"Когда мы строим вещи на Земле, у нас есть машины. И просто огромные объемы машин и веса не являются реальными ограничениями, когда мы занимаемся традиционным производством на Земле. Если нам нужно взять инструменты, они тяжелые и большие, и это стоит кучу денег и ресурсов, чтобы просто доставить вещи в космос. Один из экспериментов, который мы провели, заключался в том, чтобы заставить нашего партнера сделать кусок стекла из симулянта лунной почвы. А затем мы использовали нашу технологию лазерного сгибания, чтобы согнуть лунное стекло."

Эта технология полностью соответствует философии использования ресурсов на месте (ISRU), где местные ресурсы используются для снижения зависимости от тяжелых грузов и миссий по пополнению запасов. С помощью лазерной формовки и других методов 3D-печати астронавты смогут изготавливать строительные материалы на месте, а не отправлять тяжелые предварительно изготовленные конструкции с Земли. Команда также изучает, как лазерная формовка может расширить возможности производства за пределами традиционных материалов.

В 2024 году металлический 3D-принтер ESA на борту МКС произвел первую металлическую деталь, созданную в космосе. Кредит: ESA

Такие возможности могут открыть новые горизонты для производства в космосе, где традиционные инструменты непрактичны. По словам Миллер, проект отражает растущую роль Университета в космических исследованиях и более широкое, совместное, ориентированное на будущее видение:

"Больше всего меня радует то, что мы можем сгибать практически все. Я еще не нашла материал, который мы не можем согнуть, даже стекло. Я думаю, что это исследование отражает направление космических исследований в UF, потому что оно совместное и ориентированное на будущее. Мы смотрим на то, как мы можем строить вещи на Луне, строить вещи на Марсе и как мы можем обеспечить безопасность и здоровье астронавтов."

Лазерная формовка также может позволить астронавтам изготавливать инструменты и запасные части на орбите или на Луне, устраняя необходимость в транспортировке больших объемов этих предметов с Земли. Как подтвердят астронавты, которые жили и работали на Международной космической станции (МКС), если что-то ломается в космосе, это обременительно — иметь несколько запасных частей для каждой детали. То же самое касается инструментов, которые необходимы для регулярного обслуживания и которых очень не хватает, когда они ломаются и заканчиваются.

В соответствии с философией "Решение для космоса решает проблемы для Земли" эта технология также имеет приложения за пределами космических исследований, потенциально поддерживая гибкое производство на Земле. Как отметила Миллер, команда UF также сосредоточена на гибком производстве для оборонных приложений, но это лишь одно из многих возможных применений технологии. Совершенно очевидно, что любая форма производства может извлечь выгоду из этой технологии, включая строительство жилья.

На фоне продолжающегося роста населения и угрозы изменения климата легкие, гибкие формы производства, которые также более эффективны, чем традиционные методы, будут благом для всех заинтересованных сторон.