3D-друк на Марсі буде не таким, як на Землі, але нове відкриття дає надію на виживання колоній

Як перетворити Марс на фабрику для створення інструментів?

Одним із найскладніших аспектів майбутнього поселення на Марсі є транспортування вантажів. Перевезення важких і громіздких запасів на відстань близько мільйонів кілометрів від Землі є абсолютно непрактичним. Доставка кожного кілограма корисного навантаження коштує величезних грошей, а об'єми космічних кораблів обмежені. Саме тому розвиток технологій виробництва на місці й з місцевих ресурсів стає критично важливим для успіху тривалих місій, пише Phys.org.

Дивіться також NASA готує новий вертоліт, який підкорюватиме Марс 

Традиційні методи виробництва, такі як фрезерування чи механічна обробка, потребують важкого обладнання й створюють багато відходів, що неприпустимо в умовах обмежених ресурсів. Альтернативою стає 3D-друк, а саме метод лазерного спікання металевого порошку (PBF-LB). У цьому процесі тонкий шар металевого порошку розкочується по платформі, а лазер плавить його, створюючи твердий шар об'єкта.

Проблема полягає в тому, що на Землі для такого друку використовують аргон – інертний газ, який запобігає окисленню металу. Везти запаси аргону на Марс або намагатися видобути його там у промислових масштабах занадто складно. Проте атмосфера Червоної планети на 95 відсотків складається з вуглекислого газу. 

Зейн Мебрюер, нещодавній випускник університету, разом із асистуючим професором кафедри машинобудування Ваном Шоу вирішив перевірити, чи можна використовувати вуглекислий газ замість аргону.

Вуглекислий газ замість аргону: чи можливо це на Марсі

Для експерименту вчені створили спеціальну камеру, що імітувала атмосферу Марса. Вони використовували порошок нержавіючої сталі марки 316L з розміром частинок від 22 до 28 мікрометрів. Дослідження проводилося за допомогою волоконного лазера з довжиною хвилі 1064 нанометрів і максимальною потужністю 80 ватів. Вчені порівнювали результати друку в трьох середовищах: чистому аргоні, вуглекислому газі та звичайному повітрі.

Найбільшим викликом під час друку в неінертному середовищі є окиснення. На відміну від звичайної іржі на поверхні, окислення під час друку послаблює внутрішню структуру деталі.

Поєднуваність між шарами буде набагато гіршою. Це вплине на міцність матеріалу, 
– прокоментував Зейн Мебрюер. 

Під час дослідження встановили, що друк в аргоні дає найкращі результати: поверхня виходить рівною, а структура – щільною. Однак результати у вуглекислому газі виявилися цілком прийнятними та значно кращими, ніж при друку у звичайному повітрі.

У вуглекислому газі спостерігався так званий ефект "кулькування" (balling effect), коли розплавлений метал під дією капілярних сил перетворюється на окремі сфери замість суцільного шару. Проте правильне налаштування параметрів лазера, зокрема потужності від 24 до 40 ватів та швидкості сканування від 50 до 200 міліметрів на секунду, дозволяє мінімізувати ці дефекти.

Це доказ концепції, 
– сказав Ван Шоу, який керував дослідженням у лабораторії.

Хоча деталі, надруковані в середовищі CO₂, мали дещо гіршу фінішну обробку та меншу стійкість до окиснення порівняно з аргоновими зразками, вони продемонстрували достатню цілісність для створення функціональних інструментів. Результати цієї роботи були опубліковані в науковому виданні Journal of Manufacturing and Materials Processing.

NORDIS – інтелектуальний контроль мікроклімату для дому та бізнесу. Просте керування, тиха робота та енергоефективність, що відповідає найвищим європейським стандартам.

Що далі?

У майбутньому вчені планують протестувати друк повноцінних тривимірних компонентів та вивчити, як використання вуглекислого газу впливає на їхні механічні властивості при тривалому навантаженні. Також розглядається можливість інтеграції сонячної енергії для живлення таких принтерів на поверхні інших планет. 

Окрім космічних переваг, ця технологія може бути корисною і на Землі, оскільки вуглекислий газ є значно дешевшим і доступнішим за промисловий аргон.

Вам також буде цікаво дізнатися: які перспективи відкриває ця технологія

Варто зазначити, що ідея використання 3D-друку для забезпечення майбутніх марсіанських колоній усе ще є революційною і, очевидно, поки що не реалізованою. Вона пропонує елегантне вирішення однієї з найскладніших логістичних проблем освоєння космосу – залежності від земних ресурсів. Можливість виробляти інструменти та запчастини на місці не лише значно здешевлює місії, але й робить їх більш гнучкими та стійкими до непередбачуваних обставин.

Хоча дослідження Зейна Мебруера є лише початковим етапом, воно відкриває шлях для подальших розробок у цій галузі. Майбутні науковці зможуть зосередитися на адаптації 3D-принтерів до умов низької гравітації та агресивного марсіанського середовища, а також на пошуку та переробці місцевих матеріалів для друку.

Таким чином, робота, розпочата студентом-інженером, може закласти фундамент для технологій, які одного дня допоможуть людству зробити перші кроки як міжпланетний вид.

Які технології допоможуть збудувати перші колонії на Марсі?

Ідея колонізації Марса стикається з низкою фундаментальних проблем, вирішення яких потребує технологічного прориву. Головні виклики – це створення придатної для дихання атмосфери та захист від космічної радіації, що ускладнюється слабкою гравітацією планети та відсутністю магнітного поля. За оцінками вчених, тераформування Червоної планети може зайняти сотні, а то й тисячі років. Саме тому науковці шукають альтернативні шляхи для забезпечення життя перших поселенців, зокрема через створення автономних баз.

Ключову роль у цьому відіграють технології будівництва. На Землі вже активно застосовують 3D-друк для зведення житлових будинків, що дозволяє значно пришвидшити процес та зменшити витрати. Наприклад, у Німеччині за допомогою цієї технології зводять багатоквартирні будинки, а в Україні її планують використовувати для відбудови соціальної інфраструктури. Цей досвід є основою для розробки будівельних методів у космічних умовах.

Для марсіанських місій розробляються ще більш інноваційні підходи.

• Науковці з MIT створили матеріал на основі техніки кірігамі, який дозволяє трансформувати пласкі листи у складні 3D-об'єкти, як-от стільці чи навіть допоміжні структури для житла на Марсі.
• Паралельно триває розробка напівавтономних роботів, здатних самостійно досліджувати поверхню, шукати ресурси та виконувати будівельні завдання без постійного контролю із Землі.