3D-печать и космос: самое важное

1. Использование аддитивных технологий при изготовлении деталей космических кораблей.

3D-печать активно используется в аэрокосмической отрасли для изготовления прототипов, деталей двигателей и оснастки. Ее применение позволяет производителю удешевить продукцию, повысить ее эксплуатационные характеристики, а также значительно сократить время изготовления отдельных изделий. К аддитивным технологиям так или иначе обращаются все крупные компании, связанные с аэрокосмическим производством.

В основном, с помощью 3D-печати производят части двигателей. Так, американская компания Aerojet Rocketdyne заключила контракт на 1,6 миллиарда долларов на производство ракетного двигателя RS-25, часть деталей для которого будет изготовлена на 3D-принтере. Производство одной детали традиционными методами могло занять полгода - 3D-печать позволила Aerojet Rocketdyne сократить сроки и издержки, значительно ускорить процесс производства прототипов. Помимо этого, компания с успехом применяет аддитивные технологии в других проектах.

Другая американская компания Rocket Lab занялась строительством первой в Новой Зеландии станции для орбитальных запусков. Именно оттуда планируется запустить первую в мире ракету, кислородно-углеводородный двигатель которой полностью напечатан на 3D-принтере.

Список был бы неполным без бизнесмена и конструктора Илона Маска. Его компания SpaceX провела успешные испытания напечатанных на 3D-принтере двигателей SuperDraco, которые будут использоваться в космическом корабле Dragon, а также работает над системой реактивной тяги Raptor Rocket.

Другие промышленные гиганты не остановились на двигателях. Компания Blue Origin использовала более 400 напечатанных на 3D-принтере деталей в рамках первого полета New Sheppard в июне 2015 года.

А концерн Boeing заключил контракт с Oxford Performance Materials, ведущим специалистом по аддитивному производству, на изготовление 600 напечатанных на 3D-принтере деталей для новых космических такси Starliner.

Аддитивные технологии применяются также в перспективных проектах недалекого будущего. NASA использует продвинутые методы в подготовке марсианской миссии : 3D-печать уже используется для создания прототипов, производства деталей в космосе и даже для изготовления комплектующих двигателя будущего корабля, который отправится на Марс.

Аэрокосмическая отрасль России также начинает внедрять 3D-печать. Для этих целей в распоряжение корпорации «Роскосмос» поступил уникальный отечественный 3D-принтер «Роутер 3131» с большим печатным полем. Он будет создавать элементы космических аппаратов.

2. Применение 3D-печати в производстве спутников и аппаратов.

Еще одно направление в аэрокосмической промышленности, которые мы решили рассмотреть отдельно, - это аддитивные технологии при производстве спутников. В отличие от ракеты, стоимость спутника существенно ниже, но и ее можно уменьшить, обратив внимание на инновационные технологии.

Именно это и сделал аэрокосмический гигант Boeing, начав использовать 3D-печать для производства модульных спутников. Сейчас один аппарат стоит, в среднем, 150 миллионов долларов – такая цена обусловлена не только высокотехнологичной составляющей, но и существенной стоимостью рабочей силы, задействованной в производстве. При использовании 3D-принтеров стоимость и сроки производства спутников существенно уменьшаться.

У небольших стартапов и исследовательских проектов задачи скромнее, однако 3D-печать помогает и им. Группа исследователей из Северо-Западного назарейского университета в Айдахо ожидает запуска в космос своего напечатанного на 3D-принтере спутника MakerSat, первого в штате. Размеры аппарата всего – 10х10х11,35 см, а создан он из доступных полимеров для 3D-печати (ABS, ULTEM и нейлон).

Разработчик высокопроизводительных спутников Millennium Space Systems недавно объявил об окончании работ над предсерийной моделью из серии ALTAIR, которую теперь готовят к запуску в космос. Новые технологии, использованные в конструкции спутника, сделают возможными новые космические миссии. Например, 3D-печать позволит сэкономить на стоимости отправки деталей в космос и сократить сроки подготовки и проведения миссий.

Отличились и российские ученые. В 2016 году в Томском политехническом университете разработали малый спутник «Томск-ТПУ-120». При создании аппарата ученые и студенты Томского политеха применяли аддитивные технологии — каркас и большая часть составляющих напечатаны на 3D-принтере. 31 марта 2016 года 3D-спутник покинул Землю и обосновался на орбите.

Еще дальше залетела «Юнона». Космическая станция NASA с такими именем летом 2016 года вышла на орбиту Юпитера. Это событие важно также и для 3D-печати, поскольку «Юнона» стала первым космическим аппаратом с напечатанными на 3D-принтере деталями — титановыми волноводными элементами производства Lockheed Martin.

3. Космические 3D-принтеры.

Космонавты, находящиеся на орбите, зачастую не могут обеспечить себя всем необходимым и вынуждены ждать грузов, которые приходят на Международную космическую станцию (МКС) во время плановых полетов. К сожалению, в течение этого времени экипаж не застрахован от аварий или поломок важных систем. Эксперименты по 3D-печати в космосе дают потенциальную возможность распечатать необходимые запчасти, если какие-либо детали откажут в космосе. Это очень важно для будущих полетов к Марсу и другим планетам: длительное время колонисты не смогут получить помощи с Земли. Поэтому в предстоящих экспедициях чрезвычайно важно использовать все имеющиеся возможности для изготовления изделий на борту кораблей и космических станций.

На МКС такие эксперименты проводятся с 2014 года. Именно тогда 3D-принтер Zero G производства компании Made in Space был доставлен на американский сегмент станции. Первая печать произошла 24 ноября 2014 года и ознаменовала собой новую эпоху развития 3D-технологий. Распечатанный объект представлял собой часть самого принтера, лицевую панель печатной головки, что символизирует возможность однажды распечатать в космосе 3D-принтер на 3D-принтере. В 2016 году на МКС был доставлен еще один принтер компании Made in Space под названием Additive Manufacturing Facility(AMF).

С этих пор пробы печати на МКС происходят регулярно. Одной из последних задумок был инновационный план канадской компаний 3D4MD, который предполагал печать на МКС медицинских устройств, например, шин или хирургических инструментов. Для создания таких устройств, как индивидуальные шины при переломе пальцев, разработчики 3D4MD могли бы использовать, например, мерки, снятые в процессе подготовки скафандров, и создать модель на Земле. Затем 3D-модель можно отправить на МКС, где шина будет напечатана на 3D-принтере.

Роскосмос также развивает подобный проект. Эксперимент с названием «3D-печать» должен подтвердить возможность использования 3D-принтера при отсутствии гравитации. Данный прибор создан в стенах Томского политехнического института и согласован с инженерами РКК «Энергия». На МКС принтер отправится в 2018 году.

Не имея возможности проводить эксперименты в космосе, другие державы организуют опыты на земле. Команда разработчиков из Китая недавно провела успешные испытания первого 3D-принтера, рассчитанного на условия невесомости. Множество сложных тестов проводились во французском городе Бордо.

4. 3D-биопечать в космосе.

Известно, что в открытом космосе присутствует электромагнитное и радиационное излучение, оказывающее губительное воздействие на биологические ткани. Для того, чтобы космонавт смог перенести все тяготы перелета, одной защиты корабля недостаточно — необходимо подумать и о качественной медицинской помощи. А если она не поможет, тогда и вовсе о замене каких-либо органов.

Именно поэтому Российская Объединенная ракетно-космическая корпорация (ОРКК) согласовала эксперимент по использованию 3D-биопринера на Международной космической станции (МКС). Его разработчиком стала российская лаборатория 3D Bioprinting Solutions , специализирующаяся на технологиях биопечати. Ученые надеются, что магнитный биопринтер позволит создавать в космосе ткани и органы. Ожидается, что устройство доставят на МКС к 2018 году.

Аналогов российскому проекту за рубежом пока нет.

5. Возведений сооружений с помощью строительной 3D-печати.

Одна из самых основных проблем при возведении зданий на внеземных объектах— это ограниченное количество либо отсутствие строительного материала. Единственным доступным сырьем, не нуждающимся в транспортировке с нашей планеты, являются местные геологические породы. Неудивительно, что ученые решают задачу их использования при возведении зданий.

Так, инженеры из Северо-Западного университета США нашли способ использовать качественные материалы в ситуациях, когда ресурсы ограничены. Речь идет о процессе аддитивного производства из специальных материалов, имитирующих лунный и марсианский реголит. Это прочные и эластичные материалы, которые производятся с использованием порошкообразных веществ, напоминающих породы с поверхности Луны и Марса.

Вполне вероятно, что данная технология будет использована при колонизации Марса. Из-за экстремальных температур и высокой радиации на поверхности «красной планеты» первым колонизаторам потребуются надежные убежища. Эксперты NASA предлагают создать с помощью 3D-печати «купол» изо льда с поверхности Марса, покрытый прозрачной мембраной из фторопласта-40. Одно из основных преимуществ жилища на основе воды в том, что такие стены защищают от космической радиации, но не препятствуют проникновению света – это создает некоторый уют. Помимо этого, при выборе материалов учитывались и другие критерии – их прочность и надежность, способность выдерживать непростые условия Марса.

Европейское космическое агентство (ЕКА) ведет разработки в том же направлении и уже достигло некоторых результатов. Ученым из австрийского Университета прикладных наук в Винер-Нойштадте удалось напечатать на 3D-принтере небольшое иглу и угловую стену из материала JSC-Mars-1A, имитирующего марсианскую почву.

Помимо серьезных изысканий, есть и вполне неожиданные проекты. Так, специалисты из упомянутого нами ЕКА задумались о спасении души первых лунных колонистов и запланировали возвести на Луне храм с помощью 3D-печати. Данное сооружение с поэтичным названием Храм Вечного Света будет расположено в центре жилого комплекса для первых лунных поселенцев и сочетать в себе молитвенное место и обсерваторию. Проектировщики считают, что храмы на Луне позволят возродить утраченную связь человечества с космосом.

Впрочем, по словам Вячеслава Бобина, главы Центра изучения природных веществ при Институте комплексного освоения недр РАН постройка поселений на Луне – не такая уж фантастическая перспектива, как Вам могло показаться. Новая российская программа освоения Луны может обеспечить условия для строительства базы с помощью 3D-печати. Если российским исследователям удастся определить подходящее место для колонии, Бобин считает, что впоследствии для строительства зданий можно будет использовать 3D-принтер.

Это еще не все интересные новости про космическую 3D-печать. Что Вы скажете, например, о напечатанном на 3D-принтере ракетном топливе или применении 3D-технологий в разработке уникального скафандра для первых участников марсианской миссии?

Читайте еще больше актуальной информации в нашем специальном разделе «Космос» и не забывайте поздравить родных и близких с Днем космонавтики!