Будівництво в космосі за допомогою лазерного "орігамі"

Між програмою NASA Artemis, планами Росії та Китаю щодо Міжнародної місячної дослідницької станції (ILRS) та довгостроковою метою ESA щодо створення Місячного села, повідомлення зрозуміле: ми повертаємося на Місяць, і цього разу, щоб залишитися! Особливо для NASA, справи набирають обертів після успішного польоту місії Artemis II та нещодавнього оголошення адміністратора NASA Джареда Айзекмана про те, що NASA побудує базу на Місяці до 2030-х років.

Відомо, що виклики будівництва на місячній поверхні є досить серйозними, і це призвело до деяких креативних рішень. Популярним підходом є синтеринг, форма 3D-друку, в якій лазери зливають сировину (в даному випадку, місячний реголіт) у будівельні матеріали. В Університеті Флориди дослідники вивчають, як лазери можуть допомогти астронавтам перетворити місцевий ґрунт на скло та кераміку, які потім будуть використані для будівництва місячної бази. Їхній підхід отримав прізвисько "орігамі" через те, як він згинає матеріали без необхідності в додатковій техніці.

Цю роботу очолює Вікторія М. Міллер, доктор філософії, доцент у Коледжі інженерії Герберта Вертгейма та дослідник в Інституті космічних досліджень UF Astraeus. Її команда складається з Нейтана Фріппа, Тяньченя Вея та Бенджаміна А. Беглі, дослідників з кафедри матеріалознавства та інженерії UF. Їхня наукова стаття "Контроль затримки попереднього згинання під час лазерного формування листового металу в різних атмосферах" з'явилася наприкінці квітня в журналі Springer Nature Link.

Візія майбутньої місячної бази, яка може бути виготовлена та підтримувана за допомогою 3D-друку. Джерело: ESA/RegoLight/Liquifer Systems Group

Команда нещодавно завершила етап дослідження, профінансований DARPA, зосередившись на процесі виробництва, відомому як лазерне формування. Цей процес використовує лазери для згинання матеріалів без фізичного контакту, і команда досліджувала, як атмосферні умови вплинуть на його ефективність. Це важливе питання, враховуючи, що технологія є частиною більшого зусилля з встановлення космічного виробництва на орбіті та на інших небесних тілах з дуже розрідженими атмосферами (такими як Місяць).

Лазерне формування пропонує багато можливостей для будівництва в космосі, оскільки воно легке і гнучке, що знижує вартість запуску компонентів. Коротко кажучи, процес використовує концентровані інфрачервоні лазери (тепло) для згинання матеріалів у нові форми без форм, важкої техніки або прямої фізичної сили. Під час дослідницького етапу команда тестувала технологію на місячному реголіті та симулянті гірських порід, що виявилося дуже успішним у згинанні місячного скла.

Як зазначила Міллер у прес-релізі UF News, це допомагає подолати обмеження традиційного будівництва, які є набагато більш значними в космосі:

Тож коли ми будуємо речі на Землі, у нас є техніка. І просто величезні обсяги техніки та ваги не є дійсно обмеженнями, коли ми займаємося традиційним виробництвом на Землі. Якщо нам потрібно взяти інструменти, інструменти важкі, і вони великі, і це коштує купу грошей і купу ресурсів, щоб просто доставити речі в космос. Один з експериментів, які ми провели, полягав у тому, щоб співпрацювати з кимось, щоб зробити шматок скла з симулянту місячного ґрунту. А потім ми використали нашу технологію лазерного згинання, щоб зігнути місячне скло.

Ця технологія дуже відповідає філософії використання ресурсів на місці (ISRU), де місцеві ресурси використовуються для зменшення залежності від важких вантажів і місій з постачання. З лазерним формуванням та іншими методами 3D-друку астронавти зможуть виготовляти будівельні матеріали на місці, а не відправляти важкі попередньо виготовлені конструкції з Землі. Команда також вивчає, як лазерне формування може розширити можливості виробництва за межами традиційних матеріалів.

У 2024 році металевий 3D-принтер ESA на борту МКС виготовив першу металеву деталь, створену в космосі. Джерело: ESA

Такі можливості можуть представити нові можливості для виробництва в космосі, де традиційні інструменти є непрактичними. За словами Міллер, проект відображає розширення ролі університету в космічних дослідженнях та ширшу, колаборативну, орієнтовану на майбутнє візію:

Найбільше мене захоплює те, що ми можемо згинати практично будь-що. Я ще не знайшла матеріал, який не можемо зігнути, навіть скло. Я вважаю, що це дослідження відображає напрямок космічних досліджень в UF, оскільки воно є колаборативним і орієнтованим на майбутнє. Ми дивимося на те, як ми можемо будувати речі на Місяці, будувати речі на Марсі, і як ми можемо насправді забезпечити безпеку та здоров'я астронавтів.

Лазерне формування також може дозволити астронавтам виготовляти інструменти та запасні частини на орбіті або на Місяці, усуваючи необхідність транспортування великих обсягів з Землі. Як підтвердять астронавти, які жили та працювали на борту Міжнародної космічної станції (МКС), якщо щось ламається в космосі, важко мати кілька запасних частин для кожної деталі. Те ж саме стосується інструментів, які потрібні для регулярного обслуговування і які дуже не вистачає, коли вони ламаються або закінчуються.

Відповідно до філософії "Вирішення проблем для космосу вирішує проблеми для Землі", ця технологія також має застосування поза космічними дослідженнями, потенційно підтримуючи гнучке виробництво на Землі. Як зазначила Міллер, команда UF також зосереджена на гнучкому виробництві для оборонних застосувань, але це лише одне з багатьох можливих використань цієї технології. Дослівно, будь-яка форма виробництва може виграти від цієї технології, включаючи будівництво житла.

На фоні продовження зростання населення та загрози зміни клімату легкі, гнучкі форми виготовлення, які також є більш ефективними, ніж традиційні методи, стануть благом для всіх зацікавлених.