Как астронавты будут ремонтировать оборудование на Марсе и других мирах, используя тонкий воздух планетных атмосфер

Технология аддитивного производства — печати трёхмерных объектов из пластика или металлического порошка — считается одним из ключевых компонентов будущих пилотируемых миссий на Луну и Марс. Она способна существенно снизить зависимость экипажа от поставок с Земли, позволяя изготавливать инструменты и запасные части прямо на месте. Новое исследование по возможному использованию местной атмосферы Марса для 3D-печати металлических деталей проливает свет на то, как астронавты смогут ремонтировать оборудование в условиях далёких от земных.

Аддитивное производство в космосе: общие принципы

Аддитивное производство (3D-печатание) подразумевает создание трёхмерных объектов посредством послойного нанесения материала, будь то пластик или металл. В контексте длительных космических миссий подобные технологии рассматриваются для широкого спектра задач — от печати бытовых предметов до сложных коммунальных элементов и механических узлов.

Одна из широко используемых технологий металлической 3D-печати называется селективное лазерное плавление (SLM). При этом методе лазер плавит металлический порошок на рабочей поверхности, формируя деталь слой за слоем. Однако атмосфера вокруг зоны плавления оказывает критическое влияние на качество готовой детали: кислород может окислять расплавленный металл, делая его хрупким. Чтобы избежать этого на Земле вокруг области печати создают защитную газовую среду (shield gas), обычно из инертного аргона, который не вступает в реакцию с металлом во время плавления.

Проблема завоза защитного газа с Земли

Аргон и другие инертные газы, применяемые в наземных установках, обладают двумя существенными недостатками для космических миссий:

• они стоимостьны и тяжёлы для транспортировки, поскольку требуют давления и значительного объёма резервуаров;
• на Марсе и в других космических мирах подходящих инертных газов в нужных количествах практически нет, что усложняет обеспечение работоспособности традиционных 3D-принтеров.

Если бы астронавтам пришлось привозить баллоны аргона с Земли, это существенно увеличило бы логистические затраты миссии и отняло бы ценную массу полезного груза. Эту проблему разработчики и исследователи пытаются решить альтернативными способами.

Использование атмосферы Марса в качестве защитной среды

Недавнее исследование учёных из Университета Арканзаса показало, что атмосфера Марса, в основном состоящая из углекислого газа (CO₂), может выполнять роль защитного газа для процесса SLM, хотя и с некоторыми ограничениями.

Исследователи провели серию экспериментов по печати деталей из нержавеющей стали 316L в трёх средах:

• аргон, как стандартный инертный газ;
• углекислый газ (CO₂), аналог марсианской атмосферы;
• атмосферный воздух Земли.

Результаты показали, что:

• лучшую форму и качество деталей демонстрировал аргон с примерно 98 % сохранением площади структуры,
• углекислый газ давал около 85 % сохранения, что означает приемлемую структурную целостность для многих неответственных компонентов (например, петель, ручек, креплений),
• земной воздух (с высоким содержанием кислорода) давал менее 50 % эффективности и производил детали низкого качества, непригодные для значимых узлов.

Это означает, что марсианская атмосфера может выступать в качестве так называемого «shield gas» для 3D-печати в условиях Марса, что позволяет изготавливать полезные металлические детали без надобности импортировать аргон с Земли.

Почему CO₂ работает для печати металла

Поведение углекислого газа при высоких температурах позволяет частично объяснить результаты:

• при воздействии лазера CO₂ частично диссоциируется, уменьшая долю активного кислорода непосредственно в зоне плавления;
• это снижает окислительные процессы в расплавленном металле по сравнению с использованием обычного воздуха, где кислород активно вступает в реакцию и ухудшает свойства конечной детали;
• частичное давление кислорода в атмосфере Марса ниже, чем в атмосфере Земли, что дополнительно снижает скорость окислительных реакций.

Такие условия создают более благоприятную среду для печати, чем просто использование земного воздуха, хотя деталям, изготовленным в CO₂, всё же присущи определённые отличия по качеству от деталей, напечатанных в аргоновой среде.

Практическое значение для астронавтов

Использование атмосферы Марса в качестве «защитного газа» при 3D-печати имеет несколько важных последствий:

• снижение массы и стоимости миссии, поскольку не требуется постоянный завоз аргона;
• местное производство запасных частей, что увеличивает автономность астронавтов и уменьшает зависимость от регулярных поставок с Земли;
• возможность печати инструментов и оборудования прямо на поверхности планеты, что особенно важно для длительных экспедиций и строительства марсианских баз.

Для будущих пилотируемых миссий на Марс и других планетных тел это означает, что астронавты смогут ремонтировать и обслуживать свои инструменты и модули, используя доступные ресурсы среды, в которой они находятся — концепция, известная как in-situ resource utilization (использование ресурсов на месте).

Ограничения и дальнейшие исследования

Хотя результаты показывают жизнеспособность идеи, важно учитывать ограничения:

• качество деталей, напечатанных в среде CO₂, ниже, чем при использовании аргона, но всё ещё функционально пригодно для многих задач;
• не все типы металлов и конструкций были изучены — дальнейшие испытания для других материалов и более сложных геометрий необходимы;
• атмосфера других небесных тел (например, Луны) имеет совсем другое составное устройство, что требует отдельных исследований.

Что это означает для будущего освоения космоса

Работа по использованию тонкого воздуха планетных атмосфер для 3D-печати открывает путь к современным автономным ремонтным технологиям на других мирах. Возможность печатать металлические детали из доступных материалов позволит астронавтам:

• ремонтировать оборудование и инструменты на месте;
• создавать инфраструктурные элементы для долговременных баз;
• уменьшать зависимость от доставки запасов с Земли, что улучшает устойчивость и эффективность космических миссий.

Заключение

Исследование применения атмосферы Марса в качестве заменителя традиционного защитного газа для 3D-печати металла демонстрирует реальный путь к эффективному обслуживанию и ремонту оборудования в космосе. Технология, основанная на использовании местных ресурсов окружающей среды, является важным шагом к автономным и менее затратным миссиям человека на Марс и другие планетарные тела.

Источники:
Статья создана по материалам UniverseToday.com