Колонизация Марса в формате 3D

Технический перевод статьи журнала ROOM, № 3(5) 2015

Д-р Айдан Коули (Aidan Cowley), научный сотрудник Европейского Центра подготовки астронавтов

Лео Tинли (Leo Teeney), младший стажёр – выпускник Европейского Центра подготовки астронавтов

Подобное использование ресурсов на месте позволяет добиться значительной экономии массосодержания и стоимости полётов к Красной планете. Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (НАСА), США и Европейское космическое агентство (ЕКА) проявили значительный интерес к этим технологиям как к способу достижения своих амбиций.

В последние годы технология послойной печати вызвала сильный коммерческий и публичный резонанс. Чаще именуемая как 3D-печать, она уже нашла себя в большом количестве революционных коммерческих применений, а в перспективе проявит себя ещё и во множестве других. Теперь команды по всему миру вовлечены в проектные разработки поселений на Марсе в формате 3D в рамках конкурса, объявленного НАСА.

В качестве рабочего процесса некое подобие 3D-печати известно ещё с древности, когда великие сооружения строились аддитивным способом, слой за слоем. Лишь недавно мы объединили технологию с робототехникой и компьютерным управлением, что делает возможным выполнять 3D-печать объектов практически любой формы, используя широкий спектр материалов, от металлов до пластмасс и даже керамики.

Изготовления некоторых сложных геометрических форм невозможно было добиться, используя традиционные способы производства, но технология 3D-печати сделала это вполне реальным.      

Её преимущества многочисленны: снижаются потребности в средствах материально-технического обеспечения, а также потребление материалов плюс экономия времени производства. Широк диапазон применений продукта: от лёгких индивидуальных компонентов воздушно-реактивных двигателей до изготовления полнокомплектных железобетонных домов.

Космические агентства также не упустили шанс включить потенциал этой технологии в свои лётные планы. В 2013 году в рамках Программы общих исследований эксперты ЕКА провели анализ применимости методологии 3D-печати для изготовления куполообразной структуры лунного объекта для защиты астронавтов от последствий сильного излучения и микрометеоритов на Луне.

Можно добиться значительной экономии по массе и стоимости полёта при использовании местных ресурсов для изготовления необходимых элементов по сравнению с их доставкой с Земли – тенденция, известная как «использование найденных или произведённых на месте ресурсов» (ISRU).

Специалисты НАСА также обратили своё внимание на возможность использования технологии послойной печати для космических исследований. В марте 2015 года был объявлен конкурс «Перспективы колонизации Марса в 3D-формате» (3D Printed Habitat Challenge), который открыт для участников со всего мира. Команды предлагают архитектурную 3D-концепцию базы на Марсе с целью содействия развитию технологий, необходимых для аддитивного производства средств для компактного проживания с использованием найденных или произведённых на месте ресурсов (ISRU) и утилизации материалов космических аппаратов.

Специалисты НАСА назвали эти инициативы Программой Столетия (Centennial Challenge); в качестве поощрительного приза предлагается разработка революционных решений задач, находящихся в сфере интересов НАСА. При таком подходе НАСА стремится задействовать нестандартные источники, включая всемирное сообщество «умельцев» – энтузиастов и предпринимателей из кругов широкой общественности, которые продвигают 3D-технологию и её приложения.

Результаты предыдущего исследования, которые специалисты ЕКА провели относительно «лунной» 3D-печати, способствовали объединению усилий членов команды, состоящей из членов Европейского центра подготовки астронавтов и компании Liquifer Systems Group, Австрия, для разработки концепции самой Программы Столетия. Команда формируется на основе топ 30 из более чем 160 участников и должна представить свою концепцию на Всемирной выставке устройств, сделанных своими руками, которая будет проводиться в Нью-Йорке в сентябре 2015 года.

Архитектурное озарение наступило в результате сравнения двух примеров строительства древних жилищ – круглых ульевых хижин Clochán в ирландских монашеских скитах и традиционных южно-итальянских домов Trulli.

Архитектурное озарение

Концепция, которая получила название LavaHive, демонстрирует уникальный потенциал, который технологии аддитивного послойного наращивания привнесут в будущие исследовательские миссии. В рассматриваемом предложении исходный материал, используемый в качестве сырья в процессе 3D-печати, представляет собой марсианский реголит – собирательный термин для сыпучего песка и пыли, которые в большом количестве доступны на поверхности Марса. Можно достичь значительной экономии массосодержания при использовании этого местного материала для изготовления конструкций и укрытий, что в результате приведёт к снижению логистических поставок с Земли.

Концепция LavaHive демонстрирует беспрецедентный гибридный подход. Она состоит из надувного центрального обитаемого отсека с армированными по технологии 3D-стенами и рядом взаимосвязанных подчинённых отсеков, изготовленных из спечённого и расплавленного марсианского реголита плюс переработанных и перепрофилированных деталей космических аппаратов. Процесс спекания предполагает использование тепла и / или давления для соединения частиц, его практическая осуществимость с применением реголита была проверена на Земле во множестве проектов.

LavaHive представляет собой модульную конструкцию для первоначального полёта экипажа, состоящего из четырёх человек, с возможностью расширения или адаптации к изменяющимся требованиям миссии. В своём исходном состоянии гибридный надувной, изготовленный по технологии 3D, основной обитаемый отсек соединяется через центральный коридор с тремя или более подчинёнными отсеками.

Основные жилые помещения для экипажа в главном отсеке соединяются через 3D-проходы с подчинёнными отсеками. В них разместятся лаборатории, теплицы, воздушная разделительная камера в гараже и другие необходимые рабочие зоны.

Есть целый ряд причин, по которым следует принять гибридный подход к изготовлению подчинённых отсеков по технологии 3D, связанных с центральным надувным отсеком, доставляемым с Земли. Центральный надувной отсек предлагает ряд преимуществ, таких как гарантированную целостность конструкции, а также возможность размещения необходимого функционального наполнения, например, модулей системы регулирования окружающей среды и обеспечения жизнедеятельности (ECLSS) и системы гидроизоляции отсека. Задняя обшивка от системы входа в атмосферу, снижения и посадки (EDL) послужит в качестве крыши этого центрального отсека. Её можно использовать для укрепления и защиты надувной структуры, развёртываемой под ней, от таких опасностей, как микрометеориты и радиация.

Архитектурное озарение наступило в результате сравнения двух примеров строительства древних жилищ – круглых ульевых хижин Clochán в ирландских монашеских скитах и традиционных южно-итальянских домов Trulli. Эти купольные строения доисторического происхождения, построенные с использованием множества мелкого каменного материала, добытого на прилегающих участках земли, – истинный пример древнего использования найденных или произведённых на месте ресурсов (ISRU) на нашей планете.

В домах Трулли штукатурка приготовлена на основе красноватой глинистой почвы и соломы, смешанной с гашёной известью, чтобы интерьеры этих домов оставались гигиеничными и чистыми, что схоже с предлагаемой методикой уплотнения LavaHive. Для древних конечный результат заключался в постройке сейсмостойкой конструкции, которая, благодаря термической инерции толстых стен, сохраняла прохладу в помещении в жаркую погоду и соответственно – тепло зимой.

Ключевым элементом концепции поселения LavaHive является поиск практического применения компонентов, которые обычно выбрасывают после первого использования.

Строим жилище

Носитель отсоединит систему EDL и направит её на траекторию по направлению к поверхности, уже находясь в непосредственной близости от Марса. EDL сбросит свою тепловую защиту, а затем доставит на Марс два планетохода для исследования поверхности и центральную секцию надувного жилого отсека.

Два автономных планетохода, включённых в состав экспериментального оборудования полезной нагрузки на борту, будут задействованы в процессе 3D-строительства: один – для агломерации, а другой для плавки реголита. Когда спускаемая капсула с системой жизнеобеспечения окажется на месте, развернётся надувной жилой отсек со всё ещё закреплённой сверху задней оболочкой системы EDL. Она придаст дополнительную защиту этому крайне важному центральному узлу обитания.

Два автономных планетохода начнут подготовку территории для строительства 3D-печатных элементов. Марсоходы будут выявлять на месте/ собирать источники мелкого реголита, доступного в эоловых или обветренных отложениях в кратерах и грядах, затем транспортировать их к месту строительства. Сначала агломерационный планетоход приступит к созданию основы на небольших участках, затем лавоформирующий робот закончит подготовку фундамента.

Планетоходы, работая в тандеме, начнут изготовление секций жилища и соединительных коридоров с использованием местных источников реголита. Когда один слой отливки остынет, планетоход начнёт выкладывать другой слой реголита и поверх спекать новый канал. Этот процесс повторяется до тех пор, пока не будет завершён купол. После прибытия астронавты приступят к выполнению заключительных строительных операций посредством теле-робота с орбиты Марса или вручную на поверхности.

В соответствии с программой миссии они установят компоненты, доставленные с орбиты, такие как шлюзы и двери безопасности. После полной готовности структуры подчинённых отсеков планетоход нанесёт эпоксидную смолу на их внутренние поверхности, в результате чего они будут уплотнены. Этот эпоксидный слой образует герметичную среду с главным жилым отсеком.

Ключевым элементом концепции поселения LavaHive является поиск практического применения компонентов (которые обычно выбрасывают после первого использования), такого, к примеру, как задняя оболочка системы EDL для защиты надувного жилого отсека. Кроме того, после посадки из системы EDL будут изъяты такие материалы, как нейлон, полиэстер, кевлар, полиэтилен низкой плотности, титан, композиционный материал из углеродного волокна, полиимид и фторопласт, а также детали – топливные баки и проводка. Они найдут своё второе применение внутри жилища, например, в качестве хранилища для воды или газа.

Переработка полимеров открывает принципиально новые возможности их повторного использования внутри жилища. Главное в использовании отходов полимеров в качестве сырья для существующей технологии производства полимерных добавок в том, что можно производить различные инструменты и детали для каждой конкретной задачи. Такой подход к утилизации подтверждает универсальность миссии, делая возможным наладить процесс узкоспециализированного производства деталей по мере необходимости, и имеет первостепенное значение для материально-технического обеспечения самостоятельного полёта на Марс.

Почему мы любим лаву

Технология послойной печати с использованием лавы может показаться невероятным фактом, но на самом деле являет собой весьма простой и элегантный метод. Пониманию технологического процесса формовки способствовали сами по себе естественные потоки лавы, а возможность технической реализации подтверждена небольшими демонстрационными проектами здесь, на Земле.

Эолийские дюны и гряды, из которых можно выбирать реголит, хорошо понятны с точки зрения распределения частиц по размерам, что является важным фактором оценки динамики любого процесса спекания. Реголит будет плавится внутри печи, установленной на планетоходе, а затем заливаться в каналы, сделанные из спечённого реголита.

Такой 3D-подход к формовке лавы имеет ряд преимуществ. Во-первых, в качестве строительного материала она прочнее термоиндуцированного керамического материала.

В нашем случае решающее значение имеет уверенность в механической прочности структурных элементов, поддерживающих жилые помещения в отсеке, потому что, как мы надеемся, для команды астронавтов, состоящей из четырёх человек, будет обеспечена соответствующая техника безопасности работы в этой 3D-конструкции. Во-вторых, мы можем рассчитывать на тот факт, что базальтовая лава, когда охлаждается, обладает гораздо более высокой плотностью, чем любой другой спечённый материал. Это даёт значительные преимущества при радиационной защите в поверхностных условиях.

Проницаемость базальта также выше, чем у спечённого, который часто бывает пористым, и это является важным фактором для формирования герметичного уплотнения окружающей оболочки.

Нагрев и контроль за самой лавой сравнительно легко обеспечить, хотя это и может показаться невероятным. Лава очень вязкая и ещё до охлаждения легко преодолевает (протекает) большие расстояния. На Земле вполне можно провести тестирование такого жилища, и уроки, извлечённые в ходе строительства наземных аналогов марсианских конструкций, будут учтены в марсианской среде.

Технология LavaHive в качестве концепции служит прекрасным примером комбинации применения методик использования найденных или произведённых на месте ресурсов (ISRU) и 3D-печати для обеспечения космических полётов в рамках исследования поверхности Марса. Многие из концепций, таких как спекание реголита, уже предложены для исследования Луны. Технология должна пройти дополнительную доработку и проверку здесь, на Земле, которые также является заключительной частью Программы Столетия НАСА.

Развитие аддитивного производства показывает, что, изменяя своему образу действий, вы открываете новые возможности. Будущие исследователи в конечном итоге смогут использовать строительные процессы, используемые нашими древними предками, для сооружения первых марсианских жилищ в аппроксимации развития наших собственных первых поселений на Земле.

Технический перевод статьи журнала ROOM

Оригинал статьи можно прочитать по этой ссылке
How to 3D-print a habitat on Mars
 журнал ROOM №1 (3) март 2014