Однажды в будущем человечество, возможно, прыгнет на космический корабль и переместится в космос. Но в связи с тем, что снабжение с земли является дорогим удовольствием, да ещё и занимает кучу времени, нам нужно будет учиться формировать собственные запасы в космосе. Что нам понадобится для этого? Ответ: 3D принтер.

В сентябре 2014 года инженеры НАСА, работающие над проектом « 3D-печать при нулевой гравитации» отправили 3D принтер на международную космическую станцию в рамках четвёртой миссии SpaceX. Целью было продемонстрировать, что 3D принтер сможет работать в условиях микрогравитации. Доказательство было получено, когда фотографии астронавта Барри Вилмора, гордо сжимающего напечатанный на 3D принтере гаечный ключ, заставили сходить с ума посетителей посвященной космосу страницы на Reddit.

Задачей эксперимента является проверка того, как микрогравитационная среда международной космической станции отражается на производственном процессе 3D принтера. Это также своего рода тест идеи о внутреннем космическом цехе, в котором станет возможным космическое производство. Это будет важно для осуществления основательных космических миссий, так как астронавтам не придётся ждать прибытие снабжения с Земли.

21 деталь, напечатанная 3D принтером, прибыла на Землю в начале этого месяца. Итак, что уже узнала команда? Какие вызовы возникают перед 3D-печатью в космосе? И какие объекты понадобятся астронавтам? Чтобы узнать больше я поговорил с главным исследователем 3D печати в проекте «Нулевой гравитации» Квинси Бином.

Распаковывая детали, напечатанные в 3D в космосе (слева направо Квинси Бин, Корки Клинтон, Рик Раян). Фото: NASA/MSFC/Emmett Given

MOTHERBOARD: Вы являетесь главным исследователем в области 3D-печати в проекте «Нулевая гравитация» Центра космических полётов Маршалла (НАСА). В чём состоит ваша работа?

Квинси Бин: Будучи главным исследователем, я придумываю планы тестирования деталей, которые были созданы как на орбите, так и на земле. Я также провожу исследования характеристик АБС (Акрилонитрил-бутадиен-стирол – вид пластикового полимера), с помощью которых были сделаны механические образцы, похожие на те, которые были созданы в космосе, а также исследования земных образцов. Я создал большие партии таких образцов для тестирования, для того чтобы у меня была хорошая статистическая основа для сравнения, когда мы получим обратно информацию с полёта и земные образцы.

Мы используем пластик АБС, чтобы создавать детали. Мы сделали сжатые образцы и согнутые образцы, а также мы сделали помногу каждого из них из разного сырья для АБС. Также на их основе мы создали разные машины. Это делалось, в основном, чтобы попробовать и понять, существует ли разница между машинами и сырьём, а также же есть ли какая-то разница в механических свойствах.

Что вы за учёный и как вы стали заниматься 3D-печатьюв космосе?

Я инженер в сфере материалов. Моя должность называется аэрокосмический инженер, а образование я получил в сфере движения космических аппаратов. Диплом по программе астрономического инжиниринга я получил в университете Южной Каролины.

Моим начальником является Кен Купер, и я начинал работать в его лаборатории два года назад. Он сделал меня ответственным за проведение исследования. Кен Купер возглавлял направление 3D-печати в космосе ещё в 1990-х годах. Для некоторых из его первых экспериментов он брал 3D принтер на борт самолета KC-135, с тем чтоб опробовать его в параболическом полёте, который обеспечивает отсутствие гравитации на короткое время. Там, в условиях нулевой гравитации, он и попробовал применить 3D-печать. Полученные результаты по созданию моделей в условиях ограниченной микрогравитации во время параболического полёта были довольно успешными. Он решил, что это будет стимулом для дальнейшего изучения, поэтому позвонил в Центр по исследованиям инноваций малого бизнеса и бросил клич в разные компании, чтобы для них создали 3D принтер, и отправил его на космическую станцию. Контракт получила компания «Made in Space» из Калифорнии.

Гаечный ключ, напечатанный при помощи 3D-печати. Фото: NASA/MSFC/Emmett Given

Можете рассказать о процессе 3D-печати в космосе?

Мы использовали процесс моделирования методом наплавления. Существует несколько компаний, которые делают машины для моделирования методом наплавления здесь на земле, например, «Makerbot», «3DSystems», «CubePrinter». Процесс состоит из того, что берётся пластиковая нить, экструдированная через горячий наконечник (похоже на контролируемый компьютером пистолет с горячим клеем), который нагревает пластик до температуры плавления, чтобы он стал тягучим.

Экструзионная головка контролируется компьютером. Когда загружаете в компьютер файл, компьютер сообщает экструзионной головке, куда точно ей нужно двигаться, чтобы выдавить материал и создать модель. Экструзионная головка ходит туда-сюда штрихами, которые создают один слой детали, потом строительный лоток немного опускается, а экструдер возвращается и делает следующий слой. По мере того, как он двигается, он выдавливает пластик, будто из тюбика зубной пасты. Когда головка отдаляется, пластик охлаждается и затвердевает. Как только вы проделали это, у вас получилась модель.

Причина, по которой этот процесс был выбран для использования в космосе, состоит в том, что нить легко контролировать в условиях нулевой гравитации. Множество других производственных процессов используют порошок или жидкую смолу. Было бы сложно контролировать их в условиях микрогравитации. Например, для порошка понадобилась бы плоская кровать. Без гравитации эта кровать для порошка стала бы простым облаком из порошка, а значит, с ним ничего нельзя было бы сделать. Также с порошком было бы очень сложно справиться в условиях микрогравитации.

На космической станции очень строгие правила в отношении того, что там можно устанавливать. Если бы этот порошок просыпался, на станции настали бы тяжёлые дни. Жидкая смола была бы не менее сложной в работе, потому что для процесса печати, в котором применяется смола, нужен чан смолы. Без гравитации этот чан был бы простым огромным шаром, плавающим вокруг.

С какими вызовами вы сталкиваетесь? Что-то может пойти не так?

В используемом нами процессе мы не замечали ничего такого, что пошло бы слишком плохо. Самые большие проблемы, с которыми мы сталкивались, касались частей, слишком хорошо прилипающих к пластине, на которой построена 3D часть. Нам нужна плоская поверхность, чтобы создавать части, и несколько раз модели прилипали к поверхности и слегка ломались, когда астронавты снимали их с пластины.

Мы собираемся исследовать, почему они прилипают так сильно. Мы посмотрим, является ли это микрогравитационным эффектом или нет. Если это микрогравитационный эффект, мы сможем научиться работать с этим и создавать наши модели соответствующим образом, чтобы у нас не было проблем в будущем. В конце концов, мы делаем все эти эксперименты, чтобы из них учиться и в следующий раз работать лучше.

Какие самые важные объекты астронавты смогут печатать в космосе?

На данный момент мы ищем пути, чтобы заменить инструменты для экипажа астронавтов. Это такие предметы как гаечные ключи и отвёртки или любой другой инструмент, который может им понадобиться. Есть много уголков и трещин, к которым они не могут добраться, поэтому мы работаем над тем, чтобы создать лучшие крепления для пылесосов, чтобы залезть в самые маленькие трещины. Представьте, что вы годами живёте в машине, и вам нужно время от времени там убирать.

Мы также хотим заменить части системы жизнеобеспечения. Сначала мы начинаем с менее важных систем миссии, то есть не обязательно с систем жизнеобеспечения, скорее, с маленьких предметов, например ручек к шкафам. Простые предметы, которые могут ломаться и выходить из строя, а потом мы будем работать над более важными системами, например для жизнеобеспечения. Несколько месяцев назад мы бросили вызов сообществу GrabCAD (группе дизайнеров CAD), чтобы они создали зажим для перил. Существующий зажим для перил астронавты делали из метала. Мы предложили сделать зажимы из пластика методом наплавления, и они должны быть таким же, как существующие перила в космосе.

Перила – это стандартные части, которые есть по всей станции. Они помогают астронавтам передвигаться по станции. Эти зажимы создают соединения из дорожек для сидений, которые являются обычным соединением в космосе. Даже сидения в самолётах соединены такими же соединениями. Именно зажим имеет такие рельсы, поэтому они могут удерживать что-то на подобии креплений для камеры, если нужно прикрепить камеру.

Что будет дальше и что вас больше всего впечатляет в 3D-печати в космосе?

Мы работаем над тем, чтобы через несколько месяцев начать вторую фазу. Для этого я составляю список моделей и решаю, какие образцы строить.

Значит, мы будем печать новые детали. В первой фазе была 21 деталь, в этот раз будет около 35-ти. Будет несколько механических образцов. Большинство частей будет иметь более практическое применение как, например, зажимы для перил или крепления для пылесосов.

Я вырос на «Стар Треке» и «Звёздных войнах». Я с ума схожу по научной фантастике, и то, что меня больше всего впечатляет в отношении 3D-печати в космосе, это то, что если мы хотим увеличить присутствие человека в космосе, мы должны научиться строить то, что нам нужно, в космосе, вместо того, чтобы снова и снова делать запчасти. И значит нужно увеличить наш ассортимент и чтобы мы могли проводить исследования, когда мы вернёмся на луну или марс или астероиды, или куда угодно.

Если у нас будут 3D принтеры на космических кораблях, астронавты смогут построить всё, что им нужно и когда им нужно, что, в конечном итоге, увеличит их возможности и уровень самостоятельности, потому что, возможно, не будет снабженческих миссий на Марс, если они что-то забудут или потеряют. В конечном итоге, если нам захочется построить что-либо в космосе, мы будем производить это в космосе, а не привозить всё время с земли.