Строительство в космосе с помощью лазерного "оригами"

Между программой NASA Artemis, планами России и Китая по созданию Международной лунной исследовательской станции (ILRS) и долгосрочной целью ESA по созданию Лунной деревни, сообщение очевидно: мы возвращаемся на Луну, и на этот раз, чтобы остаться! Особенно для NASA, события развиваются 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 спекание, форма 3D-печати, при 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 складывает материалы без необходимости в дополнительном оборудовании.

Работу возглавляет Виктория М. Миллер, доктор философии, доцент колледжа инженерии Герберта Уэртайма и исследователь Института космических исследований UF Astraeus. В её команде находятся Натан Фрипп, Тяньчэнь Вэй и Бенджамин А. Бегли, исследователи из кафедры материаловедения и инженерии UF. Их исследовательская работа "Контроль предварительной задержки изгиба 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 изгиба материалов без физического контакта, и команда исследовала, как атмосферные условия повлияют на его эффективность. 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), чтобы изгибать материалы в новые формы без форм, тяжелого оборудования или прямой физической силы. В ходе исследовательского этапа команда протестировала технологию на лунном реголите и имитаторе камня, что оказалось очень успешным в изгибании 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 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 сотрудничать с коллегой, который сделал кусок стекла из имитатора лунной почвы. А затем мы использовали нашу технологию лазерного изгиба, чтобы изгибать 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 снабжению. 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 исследует, 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, когда-либо 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:

То, что меня больше всего волнует, это то, что мы можем изгибать практически все. Я еще не нашла материал, который мы не можем изгибать, 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 действительно 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 всего этого с Земли. Как подтвердят астронавты, которые жили и работали на Международной космической станции (МКС), если что-то ломается в космосе, трудно иметь множество запасных частей для каждой детали. То же самое относится и к инструментам, которые необходимы для регулярного обслуживания и которых очень не хватает, когда они ломаются и заканчиваются.

В соответствии с философией "Решение проблем в космосе решает проблемы на Земле", эта технология также имеет применение 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. В буквальном смысле 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.