Современный уровень технологий подразумевает, что все необходимое для космической миссии должно быть сделано на Земле. И лишь затем запущено в космос. Огромные затраты, необходимые для этого, ограничивают наши возможности по исследованию Солнечной системы. Однако все это в скором времени должно измениться.
Уже сейчас некоторые компании отправляют 3D-принтеры для производства расходных инструментов в космосе. В будущем мы сможем увидеть орбитальные фабрики, производящие продукты для продажи на Земле. Или, например, автоматизированных роботов, строящих космические корабли огромных размеров. Новые технологии создадут потенциал для создания мест обитания на других планетах. Для этого будут использоваться их природные ресурсы. Или мы могли бы использовать астероиды, чтобы пополнить уменьшающиеся запасы металлов на Земле.
Космическое производство несомненно позволит человечеству перейти от временных полетов в космос к постоянному присутствию там.
3d инструменты для печати
Космические агентства обычно комплектуют пилотируемые миссии огромным количеством запасных частей. Это позволяет парировать любые непредвиденные обстоятельства. И это при стартовой стоимости доставки груза на орбиту около 14 000 долларов за килограмм. На Международной космической станции (МКС) подобные запчасти стоят, по разным оценкам, 1,4 миллиарда долларов. И большинство из них никогда не будет использовано.
А почему бы нам не разработать способ создать практически любой объект непосредственно в космосе, когда он нужен? Или даже расплавить деталь после того, как она выполнит свою работу, и повторно использовать материал для чего-то другого? Мы движемся в этом направлении.
В 2014 году американская компания Made In Space отправила первый 3D-принтер на МКС. Там он использовался для того, чтобы продемонстрировать, что детали, напечатанные в условиях невесомости так же прочны, как и те, что напечатаны на Земле.
Два года спустя компания отправила в космос свой принтер следующего поколения. Он получил название Advanced Manufacturing Facility. С того времени она предоставляет услуги по изготовлению различных изделий для НАСА и других экспериментаторов. На сегодняшний день работы сфокусированы на пластике. Но система VULCAN, которая сейчас отрабатывается, сможет печатать и из металлов.
Другая американская компания, Tethers Unlimited, отправила свой 3D-принтер на МКС 15 ноября прошлого года. Преимущество ее устройства заключается в том, что оно может перерабатывать отходы пластика в материал для 3D-печати. Это позволяет сэкономить на стоимости отправки на орбиту специальной печатной нити.
Возможно, самая экстремальная идея в этом направлении – это переработка отходов жизнедеятельности человека. Исследователи из Университета Калгари в Канаде создают инженерные бактерии для превращения человеческих отходов в «астропластик». Этот материал для 3D-печати имеет химическое название полигидроксибутират.
Орбитальные заводы
Очевидная проблема, которую нужно преодолеть при создании вещей в космосе, – это отсутствие гравитации. Отсутствие гравитации означает отсутствие конвекции, а это мешает передаче тепла. Но то, что является проблемой для инженеров Made In Space, может стать ключом к запуску первого орбитального завода.
Высококачественное оптоволокно жизненно необходимо для межконтинентальной связи и высокоскоростного интернета. В настоящее время индустрия Интернета и телекоммуникаций построена на волокнах, имеющих в основе диоксида кремния. Но другой тип волокон, сделанный на основе фторидного стекла, известный как ZBLAN, потенциально гораздо более эффективен.
Но есть проблема. По крайней мере она проявляется на Земле. Она состоит в том, что конвекция вызывает образование крошечных микрокристаллов в ZBLAN. Это делает технологию менее эффективной.
В 1998 году американский производитель оптического волокна Thorlabs попытался создать материал по технологии ZBLAN на самолете, который находился в свободном падении. И в течение минуты или около того внутри него все тела находились в состоянии невесомости. У них это получилось. Волокна ZBLAN, изготовленные в условиях невесомости, имели гораздо меньше микрокристаллов и превосходную пропускную способность.
Made In Space объединился с Thorlabs, чтобы посмотреть, смогут ли они изготовить высококачественное оптическое волокно в космосе. Производитель волокна был запущен на МКС в декабре 2017 года. Он проходит первый экспериментальный прогон с возможностью создать четыре километра волокна всего из четырех килограммов сырья. Если это сработает, это будет первый случай, когда кто-нибудь создаст коммерческий продукт в космосе.
Строительство в космосе
На орбите космонавты живут и работают внутри помещений, не намного больших, чем транспортный контейнер. Так сложилось потому, что каждый модуль МКС и все остальное, что мы посылаем на орбиту, ограничены размерами ракеты-носителя.
Но если бы мы могли организовать космическое производство, то потенциально могли бы создать гигантские структуры, которые не выдержали бы собственного веса на Земле. Это и более просторные космические станции, и телескопы размером с футбольное поле. Это могли бы быть и огромные спутники для сбора солнечной энергии. В то время как специализированные детали, такие как линзы и солнечные элементы, все еще должны быть изготовлены на Земле, элемент, который скрепляет все вместе, несомненно, может быть изготовлен и собран на орбите.
Одним из первых примеров подобного орбитального инженера-строителя является Archinaut Made In Space. Это в основном роботизированная сборочная машина со встроенным 3D-принтером. Принтер изготавливает стойки и разъемы, которые защелкиваются на месте. Это похоже на детский конструктор.
В настоящее время Archinaut может работать с одобренными НАСА высокопрочными пластиками на основе поликарбоната. Они были бы более чем достаточно прочными, чтобы удерживать вместе гигантские космические конструкции в условиях низкой нагрузки на орбите. Archinaut уже зарекомендовал себя в вакуумных испытаниях, в условиях невесомости, и должен попасть на МКС в 2019 году.
Добыча астероидов
В конечном счете сырье для строительства можно найти прямо в космосе.
Очевидно, что можно было бы найти для этих целей удобный астероид, богатый драгоценными металлами, такими как золото или платина. К сожалению, хотя на околоземных орбитах и находится около 18000 астероидов, только около 4% из них, вероятно, содержат ценные металлы. Таким образом, одной из самых больших проблем, стоящих перед отраслью, является поиск. Поэтому несколько компаний, в том числе британская Asteroid Mining Corporation, работают над созданием специальных спутников. Они будут сканировать космические камни в поисках потенциальных золотых приисков.
Другие компании, в том числе американские Planetary Resources и Deep Space Industries, видят будущее не в драгоценных металлах, а в воде. Воду без труда можно превратить в ракетное топливо (кислород и водород), просто пропустив через нее электрический ток. Добывая воду из ледяных камней, эти компании планируют построить заправочные станции для полетов на Луну, на Марс или в глубины космоса.
Конечно, взять материал из астероида не так-то просто. Пока из астероида было получено только около одного миллиграмма материала. Это несколько частиц пыли, собранных японским космическим кораблем Hayabusa в 2010 году. В 2016 году НАСА запустило космический корабль OSIRIS REx на астероид Бенну. Если все пойдет по плану, он доставит на Землю около 150 грамм материала.
Амбициозный план НАСА – захватить и поместить 50-метровый астероид на орбиту вокруг Луны не получил должного финансирования. Физики из Калифорнийского технологического института подсчитали, что такая миссия обойдется примерно в 3,6 миллиарда долларов. Это много денег. Но все же не на много больше, чем разработка новой шахты на Земле. Особенно если учесть, что правильно подобранный камень может содержать ресурсы на десятки миллиардов долларов. Самой большой проблемой может быть экономический закон спроса и предложения. Доставка астероида, содержащего тысячи тонн золота или платины может привести к краху рынка. И тогда драгоценные металлы станут дешевыми, как стружка от карандаша.
Строительство внеземной среды обитания
Можем ли мы отправить гигантские 3D-принтеры на Луну или Марс для строительства там колоний?
Первые 3D печатные дома на Земле уже были построены. В простейшем случае создавшие их огромные принтеры выглядят как бетономешалки с роботизированной рукой. Она манипулирует насадкой, чтобы выдавливать строительный материал слоями. Некоторые исследователи уже разрабатывают способы замены песка, обычно используемого в цементе, на марсианскую или лунную пыль. В 2014 году итальянские исследователи показали, что они могут строить большие конструкции, используя материал, похожий на лунный реголит (слой материала, покрывающий твердую поверхность Луны).
В настоящее время НАСА проводит конкурс по созданию автономных роботов, которые смогут создавать места обитания для человека в других мирах.
Поэтому, возможно, первыми колонистами Марса станут роботы. Они высадятся на Красной планете, чтобы построить первый город для людей в этих мертвых холодных песках…