Будущее 3D-печати в космосе: Обеспечение устойчивых исследований и поселений за пределами Земли

Будущее 3D-печати открыло новые возможности для космических полетов и инфраструктуры благодаря производству в космосе. В этой статье рассматриваются как текущие эксперименты, так и предполагаемые варианты использования аддитивного производства для создания самодостаточных аванпостов на Луне и Марсе за счет использования местных ресурсов, повышения надежности за счет ремонта по требованию и использования преимуществ микрогравитационной среды для таких передовых приложений, как биопринтинг.

Будущее 3D-печати в условиях Zero-G: производство для освоения космоса

Компьютерное числовое управление (CNC) также проложило новый путь в производстве музыкальных инструментов, не только повысив эффективность и гибкость производства, но и внедрив новые конструкции и идеи. Первоначально ЧПУ использовалось в середине 1950-х годов и не требует использования встроенного инструмента программирования, поскольку оно активно управляет несколькими операциями, включая резку, сверление или придание формы, используя, в частности, фрезерные, токарные и маршрутные станки.

Поскольку эти возможности продолжают стремительно развиваться, космические 3D-печать имеет огромные перспективы изменить то, как мы проектируем, строим и обслуживаем космические корабли и сооружения в Солнечной системе. Возможно, она даже позволит нам использовать местные внеземные ресурсы для создания самодостаточных аванпостов на поверхности Луны и за ее пределами. В этой статье рассматривается как текущее использование, так и будущий потенциал 3D-печати в этой инновационной области.

Изготовление в условиях микрогравитации

Ранние эксперименты в космосе

ЧПУ - это еще один процесс, который привнес гибкость и эффективность в производство музыкальных инструментов благодаря новым идеям и новому дизайну. Изначально ЧПУ применялось в 1950-х годах и не требовало интеграции инструмента программирования, поскольку оно работает и управляет различными операциями, например, резкой, сверлением или формовкой, используя фрезы, токарные станки, маршрутизаторы и т.д.

Продолжение прогресса печати пластмасс

В этом разделе мы расскажем о продолжении экспериментов по успешной печати пластика и различных инструментов/деталей в условиях микрогравитации. Демонстрация того, что будущая 3D-печать может надежно функционировать в космосе, открыла новые возможности для решения проблем, которые могут возникнуть во время длительных полетов вдали от Земли. Напечатанные детали помогли в ремонте и экспериментах на борту МКС.

Разработка 3D-печати на металле

В этом разделе обсуждается недавняя поставка ЕКА оборудования для печати небольших металлических деталей на МКС. Цель - понять, как на операции и качество 3D-печати металлов влияет микрогравитация. В случае успеха аддитивное производство металлов в космосе может обеспечить более локальное производство высококачественных инструментов и компонентов.

Производство в космосе

Аддитивное производство открывает захватывающие возможности для устойчивого освоения и расселения человека за пределами Земли. Создавая Материалы для 3D-печати Возможности в космосе, будущее 3D-печати, миссии и колонии могут стать гораздо более самодостаточными с огромными преимуществами.

Решение проблем, связанных с транспортировкой с Земли

Одна из самых сложных задач освоения космоса - транспортировка с поверхности Земли всех необходимых инструментов, деталей и предметов снабжения. Этот процесс требует огромных затрат энергии и обходится в миллионы за один запуск. Однако производство в космосе может помочь решить эту проблему, позволив астронавтам и колонистам печатать по требованию замены для любых компонентов, которые ломаются или нуждаются в обновлении. Точная печать деталей для починки спутников или космической станции была бы гораздо практичнее, чем транспортировка огромного количества деталей с Земли. Такая возможность повысит надежность и снизит риски будущих миссий с 3D-печатью, полностью полагающихся на хрупкие цепочки поставок.

Подбор принадлежностей для медицинских нужд

Кроме того, 3D-печать может позволить удовлетворять уникальные медицинские потребности астронавтов во время длительных полетов или на поверхности планет. Жизненно важные устройства и расходные материалы можно будет изготавливать на месте, специально адаптируя их к каждому человеку и меняющейся ситуации. Персонализированные протезы, имплантаты или брекеты могут даже стать возможными с помощью Достижения в области 3D-биопечати Техники. Такая степень самодостаточности и индивидуального ухода была бы невозможна при использовании только готовых поставок с Земли.

Создание среды обитания из местных материалов

Возможно, самое захватывающее из всего этого - аддитивное производство может сыграть ключевую роль в устойчивом обеспечении постоянного присутствия человека за пределами Земли. Оно может позволить колонистам на Луне, Марсе или астероидах в будущем создавать 3D-печатные конструкции непосредственно из доступных на месте ресурсов, таких как местные пластмассы, металлы или даже лунный/марсианский реголит. Постепенное создание пригодных для жизни структур, не полагаясь полностью на полезную нагрузку с Земли, может значительно сократить расходы и ресурсы, необходимые для долгосрочного проживания за пределами планеты.

Внеземные материалы

Проект "Восход луны

Одной из самых амбициозных демонстраций 3D-печати с использованием ресурсов вне Земли стал проект Project Moonrise в 2021 году. В рамках этого эксперимента, проводимого немецкими и голландскими исследователями, на Международную космическую станцию был доставлен прототип принтера для печати на реголите. Там они успешно Устойчивая 3D-печать Небольшие образцы с помощью симулятора лунного реголита, смешанного со связующей смолой. Это доказало, что технологии аддитивного производства могут создавать прочные структуры непосредственно из симулированного лунного грунта. Возможность строить жилища и инфраструктуру непосредственно из местного грунта на Луне или Марсе может изменить процесс освоения и заселения Земли людьми.

Проект Олимп

Еще дальше в развитии этих идей идет проект Icon's Project Olympus, нацеленный на полное будущее 3D-печати лунной базы полностью из настоящего лунного реголита с помощью их специализированных принтеров. Для подготовки к проекту их среда обитания Mars Dune Alpha в пустыне штата Юта служит испытательным полигоном для печати имитированных марсианских реголито-бетонных смесей. Их цель - построить на Луне к 2026 году 3D-печатную конструкцию площадью 1 000 квадратных футов. В случае успеха подход компании Icon может стать примером устойчивого строительства надежных аванпостов полностью из внеземных материалов. Такая самодостаточная модель может стать ключом к долгосрочному исследованию и колонизации за пределами Земли.

Части по требованию:

Переработка отходов с помощью 3D-печати

Одно из перспективных направлений, которое сейчас исследуется, сочетает 3D-печать с переработкой старых пластмасс в полезное сырье. Эксперименты на борту МКС успешно продемонстрировали переработку пластиковых отходов, например, упаковки, в цифровые файлы, а затем их экструзию для печати новых инструментов и деталей. Это не только помогает уменьшить скопление мусора в космосе, но и показывает, как в будущем космические корабли, аванпосты или колонии с 3D-печатью смогут устойчиво использовать материалы бесконечно, чтобы напечатать все, что необходимо. Пластиковые отходы больше не нужно будет выбрасывать, вместо этого они могут стать свежим сырьем для изготовления предметов первой необходимости.

Печать для чрезвычайных ситуаций

Аддитивное производство также позволяет импровизировать специализированные инструменты в непредвиденных ситуациях, возникающих во время космических полетов. Такая возможность партизанского производства может сделать миссии гораздо более надежными перед лицом неожиданных технических проблем или отказов оборудования. Недавние эксперименты продемонстрировали 3D-печать металлом по требованию, что оказалось крайне важным для незапланированного ремонта на МКС. Поскольку будущее 3D-печати в космосе продолжает развиваться, возможность изготавливать одноразовые устройства и детали из готовых материалов там, где они необходимы, может стать решающим фактором надежности и реагирования на возникающие проблемы при посадке на поверхность Марса или Луны.

Компоненты космического корабля:

3D-печать на Земле

В то время как будущее 3D-печати открывает огромные перспективы для печати в космосе, аддитивное производство уже оказывает влияние на ситуацию ближе к дому, печатая компоненты космических кораблей. Ведущие аэрокосмические компании и космические агентства используют 3D-печать для изготовления элементов конструкции, двигателей, спутников и многого другого. Замысловатые детали ракет, которые было непомерно сложно или дорого обрабатывать, теперь можно сложить из современных сплавов. Целые небольшие спутники печатаются 3D-печатью по частям из современных термопластов. Это демонстрирует, как аддитивное производство упрощает изготовление высокотехнологичного космического оборудования прямо здесь, на Земле.

Интегрированный дизайн и 3D-печать

По мере дальнейшего слияния этих технологий межпланетные космические корабли будущего 3D-печати можно будет проектировать и строить с помощью полностью интегрированного моделирования и аддитивных методов. Сложные подвижные компоненты, двигательные установки и научная полезная нагрузка - все это может быть Детали 3D-принтера одновременно как единые взаимосвязанные конструкции. Такие конструкции, как солнечные батареи и антенны, могут разворачиваться в условиях микрогравитации, заранее запрограммированные их внутренней печатной архитектурой. Благодаря новым технологиям печати по металлу, соединяющему композиты, целые масштабируемые шины космических кораблей могут в один прекрасный день печататься слой за слоем из передовых сплавов на низкой околоземной орбите. Такой вид полностью встроенного аддитивного строительства может значительно улучшить возможности космических кораблей для полетов в дальний космос.

Применение биопечати

Преимущества биопечати в условиях микрогравитации

Микрогравитационная среда космоса имеет свои преимущества для сложных проектов биопечати из-за отсутствия гравитационных сил. На сайте Ткани с нулевым ускорением и биопечатью смогут сохранить свои будущие возможности 3D-печати форм и структур без необходимости использования поддерживающих лесов. Это делает космос привлекательным местом для проведения прорывных исследований в области инженерии более плотных живых тканей и мини-органов. Инновационная наука может помочь в развитии медицины как на Земле, так и для астронавтов.

Потенциальное использование

На борту таких станций, как МКС или будущие космические поселения с 3D-печатью, биопринтеры могли бы производить индивидуальные источники пищи, заменять дефицитные лекарства с помощью 3D-печатных структур и, возможно, даже печатать основные органы или конечности. По мере развития технологии такое персональное изготовление необходимых биологических материалов значительно повысит безопасность и долговечность полетов в дальний космос. Возможно, в один прекрасный день обитатели дальнего космоса смогут самостоятельно удовлетворять все свои пищевые и медицинские потребности с помощью органического аддитивного производства на борту.

Заключение

Подведем итоги, 3D-печать открывает огромные перспективы для революционного изменения того, как будущее 3D-печати будет проектировать, создавать и поддерживать сложные системы в суровых условиях космоса. Начав с печати простых пластмасс на МКС, аддитивное производство быстро продвинулось к изготовлению жизненно важных металлических компонентов и сложных космических кораблей. Сейчас в ходе экспериментов строятся конструкции непосредственно из симулированного лунного реголита и марсианской почвы, доказывая, что технология может создавать пригодные для использования материалы прямо из внеземной земли.

По мере того, как будущее 3D-печати будет развиваться в космосе и интегрировать дизайн с передовыми материалами, они смогут печатать все более автономное космическое оборудование из сырых астероидных ресурсов. 3D-биопечать также может в один прекрасный день создавать критически важные органические запасы для длительных полетов. При постоянном прогрессе производство на месте способно радикально снизить зависимость от хрупких цепочек поставок с Земли и обеспечить новый самодостаточный рубеж освоения космоса для будущих поколений.

Вопросы и ответы

Каковы основные преимущества космической 3D-печати?

Технологии 3D-печати позволяют изготавливать компоненты и инструменты по требованию в космосе, когда это необходимо. Это уменьшает зависимость от предварительно упакованных грузов с Земли и позволяет чинить или модернизировать космические аппараты с помощью напечатанных на заказ деталей. Это также демонстрирует потенциал для создания среды обитания непосредственно из местных внеземных ресурсов.

Какие материалы в настоящее время могут быть использованы для 3D-печати в космосе?

Ранние эксперименты были сосредоточены на пластиках, таких как ABS и поликарбонат. Металлические сплавы, такие как титан, также были напечатаны на МКС. В настоящее время проводятся испытания 3D-печати с использованием симулированного и реального лунного/марсианского реголита, смешанного со связующими веществами. В будущем системы 3D-печати могут использовать астероидные или другие космические ресурсы более непосредственно.

Существуют ли сложности с 3D-печатью в условиях микрогравитации?

Отсутствие гравитации создает новую динамику по сравнению с Землей, которая требует корректировки, например, рассеивания сыпучего порошка. Первые проекты доказали, что проблемы можно преодолеть с помощью специально разработанных нитей и оптимизации. Более сложная печать из нескольких материалов остается областью активных исследований в условиях пониженной гравитации.

Каковы некоторые ключевые будущие приложения?

Прогнозы включают в себя масштабное аддитивное строительство пилотируемых аванпостов на Луне и Марсе полностью из местных материалов. Биопечать может создавать ткани и даже основные органы в космосе. Нанороботы будущего 3D-печатной сборки смогут "печатать" такие структуры, как солнечные паруса, в больших объемах, непрактичных на Земле.