Исследование космоса никогда не было таким захватывающим! Посмотрите эти примеры 3D-печати в космосе, от ракет до лунных баз.

С 3D-печатью может стать реальностью то, что когда-то считалось в космосе невозможным (Источник:  НАСА )

3D-печать играет жизненно важную роль в десятилетии, которое станет самым захватывающим для освоения космоса с тех пор, как люди впервые ступили на Луну.

Наши прогнозы на 2020-е годы многообещающие: космический туризм станет реальностью, первая женщина достигнет Луны, будет построена постоянная лунная база, будет бурно развиваться исследование нашей солнечной системы, первая человеческая миссия достигнет Марса и начнется коммерческое производство в космосе. Технологии выйдут за рамки сегодняшних ограничений, и мы увидим, что аддитивное производство, включая 3D-печать, будет быстро развиваться в соответствии с растущими потребностями.

Системы запуска (ракеты), двигатели и спутники, которые мы отправляем в космос, все чаще строятся с использованием 3D-печати, что привело к появлению самых крупных и сложных в мире предприятий по производству напечатанных изделий.

Оказавшись в космосе, 3D-печать играет несколько ключевых ролей: среда с нулевым ускорением на космической орбите открывает двери для печати материалов, невозможных под влиянием земной гравитации, детали и запасные части могут быть напечатаны по запросу, а конструкции могут быть построены, не выдерживая стресса при запуске.

Еще дальше, на поверхности Луны и Марса, структуры должны быть построены с использованием местных материалов, и крупномасштабная 3D-печать также является ключевой частью этого решения.

Мы рассмотрим каждую из этих областей более подробно и выберем репрезентативные проекты, подчеркнув ключевую роль 3D-печати и отметив, на что нам следует обратить внимание в 2021 году и в последующий период.

КАТЕГОРИЯ: ПУТЕШЕСТВИЕ В КОСМОС

Relativity Space создает первую в мире ракету, напечатанную на 3D-принтере (Источник: Relativity Space )

Вывод чего-либо на орбиту и дальше стоит больших денег, и чем тяжелее полезный груз, тем больше счет.

3D-печать революционизирует конструкцию ракет-носителей за счет уменьшения количества компонентов, интеграции сложной геометрии в легкие конструкции и ускорения всего цикла проектирования и производства. Все это жизненно важно в неустанном стремлении снизить стоимость килограмма, отправляемого в космос.

НАСА, Европейское космическое агентство (ЕКА) и космические агентства России, Китая и Индии активно изучают и уже используют 3D-печать для достижения своих исследовательских, научных, охранных и коммерческих целей. Особое внимание уделяется ракетным двигателям, и детали, напечатанные на 3D-принтере, уже играют ключевую роль практически при каждом запуске нового спутника. И SpaceX, и Boeing , например, имеют буквально сотни компонентов, напечатанных на 3D-принтере, в своих новых пилотируемых капсулах.

3D-печать также дала возможность десяткам частных начинающих фирм быстро внедрять новые решения, от целых систем запуска до инструментов и оборудования, используемых космонавтами.

Рассмотрим четыре репрезентативных проекта, охватывающих спектр решений, упомянутых выше.

1. 3D-ПЕЧАТЬ В КОСМОСЕ

Ракета Terran и Stargate

Stargate («Звездные врата») - крупнейшее в мире предприятие по 3D-печати (Источник: Relativity Space )

Relativity Space возглавляет разработку того, что они называют фабрикой программного обеспечения будущего. Они объединяют аддитивное производство, искусственный интеллект и автономную робототехнику для создания Terran, первой в мире ракеты, напечатанной на 3D-принтере, с двигателями Aeon, которые также в основном печатаются на 3D-принтере.

На производственном предприятии Stargate находятся крупнейшие в мире 3D-принтеры по металлу, а для изготовления корпусов ракет используются технология DED (направленного воздействия энергии) и запатентованные сплавы. 3D-печать позволяет быстро разрабатывать интегрированные компоненты, которые сокращают количество деталей в 100 раз по сравнению с традиционными ракетами-носителями. Это также снижает вес и повышает надежность, что чрезвычайно важно для экономики запуска в космос.

Технология, разработанная Relativity, может быть передана другим производствам. То, как они объединяют 3D-печать с автоматизированной сборкой и интеллектуальным дизайном, вероятно, окажет огромное влияние на аэрокосмическую промышленность и не только.

• Компания: Relativity Space
• Известные технологии:  крупнейшие в мире металлические 3D-принтеры и умные фабрики.
• Следите за: запуском Terran, первой в мире орбитальной ракеты-носителя, напечатанной на 3D-принтере, в 2021 году.

2. 3D-ПЕЧАТЬ В КОСМОСЕ

Ракетная лаборатория: двигатели Резерфорд и HyperCurie

Революционный 3D-напечатный двигатель Резерфорд (Источник: Rocket Lab )

Rocket Lab - лидер в области коммерческих запусков спутников. Ее основатель Питер Бек назвал 3D-печать «революционной технологией в космическом двигателе», и он может подтвердить это впечатляющими результатами.

Ракетный двигатель Резерфорд (Rutherford) был впервые испытан в конце 2016 года, и с тех пор было выпущено более 200 моделей, изменивших правила игры. Их камеры сгорания, форсунки, насосы и главные топливные клапаны напечатаны на 3D-принтере с использованием электронно-лучевого плавления. В результате получился простой, надежный и легкий двигатель (всего 35 кг или 77 фунтов), что делает его идеальным для недорогих запусков в космос.  Новые двигатели   компании Curie и HyperCurie, используемые  за пределами земной атмосферы, построены с использованием тех же принципов. Эти двигатели уже привели в действие более 20 пусков. В 2021 году они будут организовывать первую частную лунную миссию по выводу экспериментального навигационного спутника CubeSat на лунную орбиту для НАСА, что станет явным признаком зрелой технологии.

• Компания: Rocket Lab
• Известная технология: электронно-лучевые 3D-напечатные двигатели
• Внимательно следите за: первой частной миссией на Луну в 2021 году и частной миссией по исследованию Венеры в 2023 году - все с использованием двигателей, напечатанных на 3D-принтере.

3. 3D-ПЕЧАТЬ В КОСМОСЕ

НАСА: RAMPT

Горячее испытание сопла, напечатанного на 3D-принтере (Источник: НАСА )

Собственные усилия НАСА в области 3D-печати немного отстают с точки зрения технологий, но реализуются в гораздо большем масштабе. Их проект Rapid Analysis and Manufacturing Propulsion Technology (RAMPT) продвигает разработку технологий аддитивного производства для 3D-печати огромных ракетных камер сгорания, тяговых камер и сопел. Они могут показаться простыми, но на самом деле они очень сложны и традиционно требуют много времени на изготовление - часто более года.

Например, форсунки двигателя соединены трубками, по которым топливо проходит для предварительного нагрева перед сгоранием. 3D-печать позволяет изготавливать их как единый компонент со всеми встроенными каналами, что позволяет значительно сократить время производства, снизить затраты и облегчить детали.

Среди исследуемых технологий - крупномасштабная 3D-печать методом прямой подачи энергии и порошка (blown-powder directed-energy deposition) и новые пригодные для печати сплавы на основе меди.

Прогресс был быстрым, и мы можем с нетерпением ждем включения разработки в проект Artemis, который вернет НАСА на Луну, в бесконечность и дальше!

• Компания: НАСА
• Известная технология: крупномасштабная печать с прямой подачей энергии и порошка
• Следите за:  объявлениями об использовании в производстве в 2021 году

4. 3D-ПЕЧАТЬ В КОСМОСЕ

SpaceX: Шлем Звездного Человека

Шлемы SpaceX напечатаны на 3D-принтере (Источник: Обри Джеминьяни через НАСА )

Скафандры «Звездный человек», которые носят астронавты во время миссий SpaceX Crew Dragon, привлекают к себе большое внимание.

Их образ был придуман голливудским дизайнером костюмов Хосе Фернандесом, который работал над фильмами «Капитан Америка» и « Бэтмен против Супермена» , но они выполняют гораздо более важную роль, чем просто круто выглядеть! Они защищают экипаж от возгорания или разгерметизации, регулируют температуру и уровень кислорода и индивидуально разработаны для обеспечения комфорта.

SpaceX сохранила детали многих основных технологий в тайне, но представитель отметил, что «шлем изготавливается по индивидуальному заказу с использованием технологии 3D-печати и включает в себя встроенные клапаны, механизмы для втягивания и блокировки козырька, а также микрофоны внутри конструкции шлема».  Предполагается, что материал представляет собой PEKK, вариант PEEK, который обеспечивает высокую термостойкость и химическую стойкость, а также способность выдерживать большие механические нагрузки.

Надеюсь, SpaceX поделится дополнительной информацией о производстве в будущем году. А пока вы можете распечатать собственную копию дома.

• Компания:  SpaceX
• Известная технология:  3D-печать PEKK - подлежит подтверждению
• Следите за: Подробная информация об этом и других наборах космонавтов будет обнародована в 2021 году

КАТЕГОРИЯ: 3D-ПЕЧАТЬ В КОСМОСЕ

Refabricator перерабатывает пластмассовые материалы и 3D-принты, используя полученную нить (Источник: Эммет, предоставленный через НАСА )

3D-печать в космосе несет в себе свои проблемы и возможности. Технологии, работающие в среде с гравитацией, могут не работать в невесомости. С другой стороны, отсутствие гравитации позволяет найти новые решения, которые могут не работать на поверхности нашей планеты.

Эксперименты с несколькими методами и материалами 3D-печати проводятся на Международной космической станции (МКС) уже более пяти лет. Результаты были очень положительными, поэтому в настоящее время реализуются новые передовые проекты по расширению материалов, возможностей и объема. Есть три основных направления в широкой области, известной как «производство в космосе» (ISM) или «производство на орбите» (OOM).

Первый - использовать 3D-печать для изготовления предметов на орбите, а не запускать их с поверхности. Это снижает потребность в хранении запасных частей и позволяет космонавтам быстрее реагировать на новые требования. Интересный поворот состоит в том, чтобы переработать материалы, в том числе упаковку предметов, отправленных в космос, в сырье (нить), используемое для 3D-принтеров. МКС уже испытала « Рефабрикаторы » на переработку пластика для этой цели.

Во-вторых, производить предметы, для которых печать выгодна без гравитации. Среди наиболее интересных изучаемых направлений - биопечать, где глобулярными формами жидкости можно лучше манипулировать для создания сложных биоструктур, и керамическая печать, где отсутствие гравитационного напряжения при производстве может привести к более прочным изделиям.

Растущий интерес вызывает то, как производить в космосе конструкции, которые слишком велики или хрупки, чтобы выдержать запуск. Крупные предметы, напечатанные в космосе, не должны выдерживать собственный вес или иметь сложные и тяжелые механизмы складывания и развертывания. В сочетании с другими технологиями (например, роботизированная сборка) это ключевой компонент так называемого «обслуживания, сборки и производства на орбите» (OSAM).

Все крупные космические агентства изучают эти области, и в настоящее время ведется много проектов, из которых мы выбрали пять, чтобы выделить ключевые области. Как говорит группа исследований и разработок в области 3D-печати НАСА: «Не бери, сделай это!»

5. 3D-ПЕЧАТЬ В КОСМОСЕ

Сделано в космосе: модуль для производства керамики (CMM)

Керамический компонент, изготовленный с нулевым ускорением (Источник: Redwire ).

Широкий спектр 3D-печати из пластика, металла и углеродного волокна был успешно испытан в космосе. Однако керамическая печать имела особые проблемы, а также выявила новые возможности.

В 2020 году МКС протестировала модуль для производства керамики (CMM) с использованием керамической 3D-печати на основе SLA . Идея состоит в том, что при печати в среде с нулевым ускорением полученный продукт подвергается меньшему и более равномерно распределенному внутреннему напряжению, и поэтому его можно сделать легче и прочнее. Созданы первые образцы для испытаний, которые проходят тестирование.

В случае успеха существует потенциальный рынок для сверхвысокопроизводительных турбинных лопаток, изготовленных на специально спроектированном орбитальном заводе. Во время длительных миссий эта технология также поможет ремонтировать тепловые экраны и другие важные детали.

• Компания: Made in Space
• Известная технология: 3D-печать SLA-керамикой
• Следите за: планами по расширению космического производства ценных керамических компонентов

6. 3D-ПЕЧАТЬ В КОСМОСЕ

Techshot: BioFarbrication Facility (BFF)

Астронавт НАСА Дрю Морган, работающий с BioFabrication Facility на МКС (Источник: НАСА )

В биопечати используются « био-чернила » на основе человеческих клеток, а также питательные вещества и материалы, необходимые для восстановления тканей тела, таких как кожа, кости и хрящи. Космические приложения этой технологии представляют интерес по двум причинам.

Во-первых, среда с микро- или невесомости допускает печать, невозможную на Земле. В будущем заменяющие ткани и органы могут быть напечатаны на орбите и доставлены обратно на поверхность для использования. Второй предназначен для лечения космонавтов и исследователей во время автономных долгосрочных миссий.

В прошлом году Биофабрикация (BFF) на борту МКС произвела 3D-печать человеческого мениска, а также другие тестовые материалы. Очень обнадеживающие результаты формируют дополнительную миссию с использованием 3D-биопринтера в сочетании с другими биоустройствами на МКС.

Практическое и коммерческое использование биопечати в космосе имеет значительные потенциальные выгоды.

• Компания: Techshot
• Известная технология: 3D-биопечать
• Ожидайте: BFF следующего поколения будет запущен в 2021 или 2022 году

7. 3D-ПЕЧАТЬ В КОСМОСЕ

Tethers Unlimited: OSAM-1 (SPIDER & MakerSat)

MakerSat будет производить углеродное волокно (Источник: Tethers Unlimited )

Разработка решений для обслуживания, сборки и производства на орбите (OSAM) потенциально имеет решающее значение для будущих миссий на Луну и Марс, и их поддерживают как космическое управление Китая, так и НАСА.

В рамках миссии NASA OSAM-1 будет произведена заправка и обновление существующего спутника, а также проверка важных технологий. На борту будет полезный груз под названием «Ловкий робот для космической инфраструктуры» (SPIDER), который является отличной начальной комбинацией робототехники и аддитивного производства.

SPIDER будет содержать модуль, известный как MakerSat, который будет выполнять 3D-печать 10-метровой композитной конструкции из углеродного волокна. В случае успеха концепция будет умножена на создание огромных космических структур, включая антенные решетки и поля солнечных батарей.

• Компания: Tethers Unlimited
• Известная технология: печать структурных конструкций из углеродного волокна.
• Ожидайте: полезный груз будет скомплектован в конце 2021 года и запущен в 2022 году.

8. 3D-ПЕЧАТЬ В КОСМОСЕ

Сделано в космосе: OSAM-2 (Archinaut One)

Archinaut One станет первым испытанием аддитивной сборки на орбите (Источник: Made in Space )

Другая миссия НАСА, OSAM-2 , будет проверять часть концепции под названием Arichnaut, разработанной пионерами орбитальной 3D-печати Made in Space. Archinaut превратился в семейство аддитивных, роботизированных решений и решений искусственного интеллекта, нацеленных на создание больших структур в невесомости.

В рамках этой первоначальной миссии будут напечатаны подставки для развертывания гибких солнечных панелей с обеих сторон спутника. Опоры будут напечатаны с использованием нераскрытой технологии в сочетании с роботизированной рукой для создания электрических соединений,  перемещения напечатанных механизмов и прочего. При том же весе, что и у традиционных конструкций, ожидается, что напечатанные будут генерировать в пять раз больше энергии.

• Компания: Made in Space
• Известная технология: подробности не разглашаются
• Ожидайте: Груз будет скомплектован в 2021 году для запуска в 2022 году компанией Rocket Lab.

9. 3D-ПЕЧАТЬ В КОСМОСЕ

Tethers Unlimited: OrbWeaver нового поколения

Ранний концептуальный образ космического строительства (Источник: Tethers Unlimited via Space )

Наш последний «проект» в этой области на самом деле является более умозрительным и концептуальным на данном этапе, к нему есть большой интерес, и, как говорится, «с улицы» мы можем увидеть пилотные работы в 2021 или 2022 годах.

Финансируемый DARPA в 2018 году проект (OrbWeaver ) по переработке космических материалов, которые в противном случае сгорели бы при возвращении, предусматривал небольшую машину, которая «пережевывает» металлические детали и использует их для печати или отливки новых конструкций. На МКС два проекта «Refabricator» успешно опробовали переработку пластиковых материалов в 3D-печатные объекты.

Распространение этой идеи на металлические материалы в космическом мусоре, несуществующие спутники или израсходованные ракеты-носители (вместо того, чтобы тратить многие тысячи долларов на транспортировку новых материалов в космос), является одновременно привлекательным и интригующим. На первом уровне заключаются контракты на изучение превращения металлолома в сырье для 3D-печати, поэтому технологии в этой области обязательно будут быстро развиваться.

НАСА и российское агентство Роскосмос очень  заинтересованы в этой идее, и, с учетом множества других разработок в этой области, мы можем вскоре увидеть возрождение OrbWeaver или подобных проектов.

• Компания: Tethers Unlimited и другие
• Известная технология: конфиденциально
• Следите за: Возможный экспериментальный проект по переработке металла в качестве сырья для печати в космосе

КАТЕГОРИЯ: НА ЛУНЕ И НА МАРСЕ

Команда, занявшая второе место в конкурсе 3D-Printed Habitat Challenge (Источник: Джоэл Ковски через НАСА )

НАСА и китайское национальное космическое агенство CNSA, взяли на себя обязательства по созданию постоянных лунных баз с прицелом на посещение Марса и проживание на нем.

Для жизни и работы в таких удаленных местах требуется больше материалов, топлива и воды, чем реально доставить с Земли. Использование того, что может быть получено на месте, становится жизненно важным - практика, известная как использование ресурсов на месте (ISRU) . Это особенно верно для крупномасштабного жилья и других структур.

Новаторская работа ЕКА заложила многие (напечатанные на 3D-принтере!) основы для структур с использованием « реголита » (тонкие отложения пыли, камней и минералов, обнаруженные на поверхности Луны) еще в 2013 году. Впоследствии НАСА провело серию широко разрекламированных конкурсов на проектирование трехмерных печатных лунных и марсианских жилищ.

Несмотря на то, что до фактического развертывания еще далеко, практические исследования по развитию технологии продолжаются, и мы уже наблюдаем побочные эффекты для наземных приложений.

10. 3D-ПЕЧАТЬ В КОСМОСЕ

AI SpaceFactory: Marsha

Концепция Marsha выиграла конкурс НАСА по 3D-печати среды обитания (Источник: AI SpaceFactory )

AI SpaceFactory выиграла третий конкурс НАСА по 3D-печати жилья с их блестящим дизайном «Marsha». Это было больше, чем концептуальное упражнение; в нем уделялось глубокое техническое внимание строительству во враждебной инопланетной среде за миллионы миль.

«В то время как конструкции на Земле рассчитаны в первую очередь на гравитацию и ветер, марсианские условия требуют конструкции, оптимизированной для выдерживания внутреннего атмосферного давления и тепловых напряжений». Требуются сверхпрочные радиационно-стойкие здания, и для 3D-печати была разработана инновационная смесь базальтового волокна, извлеченного из марсианской породы, и возобновляемого биопласта, полученного из растений, выращенных на Марсе. Полученный материал был сертифицирован как в два-три раза более прочный, чем бетон при сжатии, и в пять раз более долговечный, чем бетон в условиях замораживания-оттаивания.

Было извлечено много уроков, которые были учтены в дальнейших исследовательских проектах и ​​разработке будущей миссии на Марс. Они также уже находят применение на Земле, и наземные версии становятся коммерчески доступными.

• Компания: AI SpaceFactory
• Известная технология: структурная 3D-печать Regolith
• Следите за:  Наземные побочные продукты для домов, напечатанных на 3D-принтере

11.3D-ПЕЧАТЬ В КОСМОСЕ

Icon: Олимп

Icon и партнеры разрабатывают передовые технологии для строительства на Луне (Источник: Bjarke Ingles Group через Icon )

Хотя до этого еще далеко, НАСА (и другие агентства) стремятся продолжить разработку и тестирование решений ISRU для построек и жилищ, как на Луне, так и на Марсе. В конце 2020 года с Icon Technology был заключен крупный контракт на разработку «внеземной системы строительства».

В результате появился проект Olympus , который разрабатывается совместно с двумя отмеченными наградами архитектурными фирмами: Bjarke Ingels Group (BIG) , известной своей культовой международной архитектурой, и Space Exploration Architecture (SEArch +) , компанией, признанной во всем мире своими инновационными решениями.

Еще рано говорить, но мы можем ожидать увидеть важные разработки в 3D-принтере Icon Vulcan, предназначенном для применения в строительстве, новых передовых технологиях материалов и сопутствующей автоматизации, включая робототехнику.

• Компания: Icon
• Известная технология: структурная 3D-печать Regolith и роботизированная сборка.
• Следите за обновлениями новых технологий и дизайнов с 2021 года.

Источник