В программу научных исследований на российском сегменте МКС включены испытания 3D-принтера, созданного для работы в условиях микрогравитации. Он отправится на орбиту в июне этого года. Главная задача эксперимента — научиться печатать изделия с прогнозируемыми характеристиками, рассказали «Известиям» в «Роскосмосе». Эксперты считают, что на нынешнем этапе развития технологий такой аппарат поможет при ремонте бытовых вещей и приборов на МКС, однако условий открытого космоса полимер не выдержит. В будущем же использование 3D-печати может значительно ускорить освоение внеземного пространства, упростить организацию экспедиций на Луну и Марс и даже их колонизацию.

Высокое искусство

В программу научно-прикладных исследований и экспериментов на российском сегменте МКС внесена отработка технологий аддитивного производства изделий в условиях космоса. Проще говоря, это печать из полимерных материалов с помощью 3D-принтера в условиях невесомости. Эксперимент покажет, насколько мы близки к решению проблемы оперативного снабжения орбитальных станций и баз запасными частями, рассказали «Известиям» в «Роскосмосе».

Сейчас вся техника, используемая в космосе, доставляется с Земли. Это накладывает серьезные ограничения на массу и габариты груза, к тому же приходится учитывать сроки доставки — некоторые рейсы приходится ждать недели, а то и месяцы. Поэтому одной из важнейших задач, возникающих при освоении космоса, становится оптимизация грузопотока.

Возможность оперативно, на месте, изготовить необходимые инструменты, детали была бы крайне полезна при работе и на орбите Земли и тем более при экспедициях на Луну и Марс.

Но прежде чем отправлять 3D-принтер в экспедиции к далеким планетам, надо научиться печатать в невесомости изделия с прогнозируемыми характеристиками. После эксперимента образцы, изготовленные на борту МКС, сравнят с аналогичными образцами, созданными на Земле. Так исследователи выяснят влияние микрогравитации на процесс 3D-печати и характеристики созданных предметов.

— В условиях микрогравитации вещество, используемое для 3D-печати, начинает вести себя совсем не так, как на Земле, — пояснил «Известиям» исполнительный директор «Роскосмоса» по перспективным программам и науке Александр Блошенко. — В частности, порошок, который можно было бы определенным образом расплавить и запечь, применять нельзя. Поэтому задача эксперимента — отработать условия, в которых придется работать, и «приноровиться» к невесомости в условиях МКС.

Космическая тумбочка

Разработан принтер в Национальном исследовательском Томском политехническом университете (ТПУ). По размерам он похож на прикроватную тумбочку. Масса — не более 30 кг. Принцип его работы тот же, что у аппаратов для земных условий, — используется технология послойного наложения расплавленной полимерной нити. Но необходимость адаптировать его к работе в невесомости внесла корректировки в конструкцию и ряд элементов принтера, отметили в ТПУ.

— Вся конструкция 3D-принтера блочно-модульная, все его компоненты расположены в едином корпусе. Это важно из соображений безопасности и условий работы станции, — рассказал заведующий научно-производственной лабораторией «Современные производственные технологии» ТПУ Василий Федоров.

Есть и другие особенности. Горячий воздух на Земле легче холодного, он уходит наверх, а на его место приходит холодный. Но в невесомости другие условия конвекции. Поэтому и теплообмен в принтере будет работать совсем по-другому. Учитывается и влияние радиации.

— Мы создаем принтер, чтобы он смог работать в условиях МКС, то есть при непрерывном воздействии потоков тяжелых заряженных частиц, — отметил Василий Федоров. — Это может приводить к сбоям в работе электронных компонентов принтера. Поэтому в его конструкции заложены микросхемы, устойчивые к воздействию радиации, и используются алгоритмы для коррекции ошибок в исполнительных устройствах.

В комплект научной аппаратуры входит сам 3D-принтер, герметичный комплекс с системой фильтрации газов, образующихся в процессе печати, встроенный компьютер для управления процессом и расходные материалы.

В ТПУ уже изготовлен рабочий макет и опытный образец оборудования. Он успешно прошел все испытания. Сейчас в стадии наладки летные образцы научной аппаратуры, которые и отправятся в космос.

Повезет или не повезет?

В «Роскосмосе» считают, что в перспективе технология 3D-печати в невесомости упростит выполнение дальних и долгосрочных экспедиций. Аппараты и нужные детали можно будет изготовить прямо в космосе, не беспокоясь о том, где их достать и как отремонтировать сломавшиеся. Результаты эксперимента на МКС планируется использовать для разработки технических требований к оборудованию перспективных производственных комплексов как орбитального, так и напланетного базирования.

«Известия» попросили экспертов оценить потенциал эксперимента и самой технологии 3D-печати в космосе.

— Классические аддитивные технологии (послойное наращивание и синтез объектов. — «Известия») хороши на Земле. Каждый слой материала немного усаживается следующим за ним с помощью гравитации. В условиях невесомости такого подспорья нет, поэтому меняются требования к материалам и параметрам работы принтера. Например, материал должен довольно быстро затвердевать, чтобы не подниматься и не разлетаться в аппарате. Должна быть значительно выше скорость печати. Поэтому определенные сложности коллегам предстоит преодолеть, — пояснил соучредитель и управляющий партнер компании 3D Bioprinting Solutions Юсеф Хесуани.

Также эксперт отметил необходимость постобработки образцов. Иначе крохотные частички материала, которые нужно утилизировать в целях безопасности, просто разлетятся по станции.

— Сама идея эксперимента очень интересная, и провести его будет полезно, — считает профессор кафедры «Технология композиционных материалов, конструкций и микросистем» МАИ Николай Козлов. — На мой взгляд, с помощью такого принтера будет удобно создавать разнообразные узлы и детали из полимеров, которые могут выйти из строя на борту станции в процессе эксплуатации или потребуются при длительном полете. Это удобно, потому что принтер легко настроить для создания предмета любой формы.

Что касается материалов, эксплуатируемых за бортом, — нынешние полимерные материалы, широко используемые для 3D-печати, не обладают достаточной для этого стойкостью к факторам космического пространства, отмечают эксперты.

Чтобы оценить перспективы использования 3D-принтеров в космосе, надо понять, где мы сможем брать расходные материалы. От этого напрямую зависит экономическая целесообразность применения технологии.

— Сами полимеры, которые могут использоваться в качестве материала для 3D-принтера, на других планетах мы вряд ли найдем, — сообщил Николай Козлов. — Это синтетические материалы, поэтому все их придется везти с собой.

Теоретически при создании напланетных баз снизить стоимость печати может использование местных ресурсов, для Луны — реголита, отметил Николай Козлов.

— Есть идеи об использовании солнечной энергии для расплавления реголита — лунного грунта, но такие технологии высокоэнергоемкие и требуют больших капиталовложений. Однако стоит учитывать, что прогресс не стоит на месте, материалы и технологии их переработки интенсивно развиваются. Возможно, уже завтра технологии 3D-печати смогут решать задачи постройки жилых комплексов на Луне и других планетах. Поэтому создание такого принтера для формирования деталей из полимеров в невесомости на борту МКС — шаг в правильном направлении, — считает эксперт.

Аппаратуру для испытаний на МСК доставит транспортный грузовой корабль «Прогресс МС-20», который стартует 3 июня 2022 года. Она разместится в новом российском модуле «Наука». В планах — провести 20 «сеансов» эксперимента в течение года. На первом этапе работы будут выполнять командир экипажа МКС-67 Олег Артемьев и его коллеги — бортинженеры Денис Матвеев и Сергей Корсаков. Первые напечатанные тестовые образцы планируется вернуть на Землю 29 сентября 2022 года вместе с экипажем.