Pomysł kolonizacji Księżyca lub Marsa już od wielu lat budzi duże kontrowersje. Naukowcy starają się opatentować sposób, który umożliwiłby zaludnienie przestrzeni kosmicznej w niedalekiej przyszłości. Czy druk 3D okaże się w tym pomocny?
Czym jest i jak działa druk 3D?
Jeszcze nie tak dawno temu drukowanie 3D wykorzystywane było jedynie do szybkiego prototypowania oraz testowania przeróżnych produktów. Technika jednak nieubłaganie kroczy do przodu, a wraz z jej rozwojem pojawia się coraz więcej ciekawych możliwości. Obecnie praktycznie każdy może stać się właścicielem niskobudżetowej drukarki 3D. Wiele osób korzysta z tej możliwości ze względu na funkcjonalność, a niektórzy – w celach typowo hobbystycznych i rozrywkowych.
Druk 3D, bardzo często nazywany także drukowaniem przestrzennym, to względnie nowa i bardzo zaawansowana technologia, koncentrująca się na wytwarzaniu gotowych przedmiotów. Cały proces odbywa się za pomocą drukarki 3D, która – poza nazwą – ma tak naprawdę niewiele wspólnego z urządzeniem, które znamy z codziennego życia. Wytwarzanie przyrostowe to niezwykle precyzyjny i dokładny proces tworzenia rzeczy poprzez sekwencyjne dodawanie i łączenie materiału pod kontrolą komputera. Jednym z największych atutów tej technologii jest brak odpadów i nadmiernej ilości materiałów. Druk 3D jest więc niezwykle ekonomiczny, co w dzisiejszych czasach ma ogromne znaczenie. Nie tylko ze względów finansowych, ale także ekologicznych.
Rozwój druku przestrzennego
Druk 3D uważany jest za nową technologię, choć tak naprawdę znany jest już od bardzo dawna. Pomysł na tego typu wytwarzanie obiektów powstał w XX wieku, lecz nie było to jeszcze wtedy drukowanie przestrzenne w dzisiejszym rozumieniu. Przełom w rozwoju tej dziedziny nastąpił w latach 2013–2015. To właśnie w tym okresie sporo osób dowiedziało się, czym tak naprawdę jest wytwarzanie przyrostowe. Wraz z upływem czasu rosło zainteresowanie tą technologia, co doprowadziło do powstawania i realizowania coraz większej liczby pomysłów wykorzystania druku 3D.
Chcąc wskazać osobę, która zapoczątkowała druk 3D, można natknąć się na duży problem. Oficjalnie uważa się, że ojcem drukowania przestrzennego jest Charles Hull. Tak naprawdę już przed nim byli inżynierowie i naukowcy, którzy składali swoje zgłoszenia patentowe, lecz były one odrzucane. Niemniej jednak Charles Hull zasługuje na miano człowieka, który zapoczątkował wytwarzanie przyrostowe. Stworzył on pierwszą oficjalną metodę drukowania 3D, jaką jest stereolitografia (SLA), a także założył pierwszą firmę produkującą drukarki 3D – 3D Systems. Patent został przyznany w dniu 11 marca 1986 roku.
Metoda działania – czy druk 3D jest skomplikowany?
Aby wydrukować coś w technologii druku przestrzennego, potrzebna będzie nie tylko odpowiednia drukarka, ale także wcześniej przygotowany plik cyfrowy. Komputerowy model jest odzwierciedleniem tego, co chcielibyśmy stworzyć podczas druku 3D. Można go wykonać, korzystając ze specjalnych programów CAD (computer-aided design – projektowanie wspomagane komputerowo) lub skanera 3D, który zeskanuje konkretny obiekt.
Zadaniem modelu cyfrowego jest przekazanie odpowiednich informacji do drukarki, a dokładniej – poinstruowanie jej, jak ma wykonać przedmiot. Obiekt jest dzielony na wiele warstw, z których każda posiada dokładnie określone wymiary. Dzięki temu obiekt 3D jest drukowany warstwa po warstwie, idealnie odwzorowując wcześniej przygotowany cyfrowy model. Do tego celu wykorzystywane są dysze lub lasery, które w pierwszej kolejności nakładają materiał, a następnie go utwardzają.
Drukowanie przestrzenne to ogromne zalety i możliwości
Technologia druku 3D dominuje w coraz to większej liczbie dziedzin. Drukowanie przestrzenne obecne jest niemal w każdym sektorze przemysłu. W niektórych z nich zastosowanie druku 3D ogranicza się jedynie do wytwarzania niewielkich elementów zastępczych, a w innych – stanowi główną część, na której opiera się praca całych przedsiębiorstw. Jakie są zalety zastosowania tej technologii? To przede wszystkim większa efektywność, a także możliwość rozwiązywania problemów, które wcześniej byłyby niemałym wyzwaniem nawet dla najlepszych inżynierów.
Drukowanie 3D to naprawdę wiele możliwości. Dzięki niemu możliwe jest tworzenie detali, części, a nawet całych zespołów, które będą idealnie dostosowane do naszych potrzeb. Wytwarzanie przyrostowe może posłużyć również podczas szybkiego prototypowania i produkcji masowej. Wszystko to generuje o wiele mniejsze koszty niż tradycyjne techniki.
Druk 3D w przemyśle kosmicznym
Druk 3D znajduje zastosowanie nie tylko w branżach przemysłowych. W ostatnim czasie nowoczesne techniki wykorzystywane są również w medycynie, a nawet w przemyśle kosmicznym. Głównym powodem, dla którego drukowanie przestrzenne jest atrakcyjne z perspektywy lotnictwa czy kosmonautyki, jest optymalizacja wagi maszyn. Elementy wytwarzane przyrostowo są przede wszystkim bardzo lekkie. To niezwykle ważne podczas konstruowania maszyn, które docelowo mają wznieść się w powietrze.
Jednym z przykładów zastosowania druku 3D w przemyśle kosmicznym jest Perseverance, najnowszy łazik zbudowany przez zespół NASA. W jego konstrukcji znajduje się aż 11 elementów wykonanych tą techniką.
Tego typu zastosowania znajdziemy także na Międzynarodowej Stacji Kosmicznej. Przebywający na niej astronauci wykorzystują druk 3D to wytwarzania najpotrzebniejszych narzędzi. Dlaczego jednak nie zabierają ich z Ziemi? To znowu kwestia wagi – podczas startu kluczowa jest jak najmniejsza masa. Jak widać, technologia wytwarzania przyrostowego doskonale sprawdza się również w kosmosie. Być może kiedyś to właśnie ona będzie decydującym czynnikiem podczas kolonizacji odległych zakątków Układu Słonecznego.
Konstrukcje addytywne w kosmosie
Jednym z największych wyzwań podczas kolonizacji kosmosu będzie zbudowanie odpowiedniej bazy mieszkalnej. W pierwszej kolejności naukowcy za cel stawiają sobie Księżyc, ponieważ znajduje się on najbliżej naszej planety. Dobrze przygotowana baza mieszkalna na Księżycu w dalszej kolejności mogłaby stanowić przystanek podczas podróży na Marsa.
Kosmiczne zagrożenia
Oczywiście warunki panujące na Księżycu znacznie odbiegają od tych, które znamy z życia codziennego. Potencjalne lokum wykonane na innych ciałach niebieskich musiałoby spełniać szereg wymagań wytrzymałościowych, aby nadawało się do życia i było bezpieczne dla mieszkańców. Co zagrażałoby konstrukcjom wykonanym na Księżycu? Przede wszystkim są to mikrometeoryty, promieniowanie, duże różnice temperatur i wiatr słoneczny.
Jak więc stworzyć bezpieczne schronienie dla potencjalnych mieszkańców? Naukowcy zajmujący się tą tematyką proponują stworzenie bazy z regolitu metodą druku 3D. Głównym założeniem prowadzonych obecnie badań i projektów jest tzw. ZLM, czyli Zero Launch Mass – zerowa masa startowa.
Druk 3D z wykorzystaniem regolitu księżycowego
Regolit to warstwa luźnego materiału pokrywająca Ziemię oraz inne planety skaliste. To on miałby być materiałem konstrukcyjnym wykorzystywanym w technologii druku 3D do wytwarzania baz mieszkalnych. Rozmiar cząstek księżycowego regolitu waha się od submikronowych odłamków do przeogromnych głazów, jednakże większość z nich – około 90% – to cząstki o średnicy około centymetra. Ich pochodzenie jest w głównej mierze geologiczne. Najczęściej można spotkać się z regolitem charakteryzującym się dużą zawartością bazaltu.
Z racji tego, że transport surowców z Ziemi jest bardzo kosztowny, naukowcy skupiają się na wykorzystaniu materiałów dostępnych już na miejscu. Nie jest to jednak takie proste, jak mogłoby się wydawać. Księżycowy regolit wymaga odpowiedniej obróbki, aby nadawał się do wykorzystania podczas drukowania przestrzennego. Jeśli udałoby się opracować metody pozwalające na druk 3D z rodzimych materiałów, można by zbudować niezbędną infrastrukturę zapewniającą schronienie.
NASA już od kilku lat prowadzi badania w Centrum Kosmicznym im. Kennedy’ego. Jeden z zespołów pracujących w laboratorium w Swamp Work opracował kompozyt polimerobetonowy na bazie regolitu, który spełnia wstępne założenia. Naukowcy zbadali także inne ciekawe materiały, a także opracowali prototypy naziemnych robotów, które docelowo mają umożliwić drukowanie trójwymiarowe na ciałach Układu Słonecznego. Zespół w szczególności skupił się na pracy nad mechanizmem głowicy drukującej 3D, którą można będzie zamontować np. na ramieniu robota, suwnicy bądź innym urządzeniu pozycjonującym.
Drukowanie trójwymiarowe w kosmosie – czy to rzeczywiście się uda?
Celem wszystkich dotychczas przeprowadzonych projektów i badań jest udowodnienie wykonalności skomplikowanych konstrukcji addytywnych za pomocą technologii druku 3D. Niedawne wyniki dają sporo nadziei na sukces w tej kwestii. Kruszony regolit mógłby zostać wykorzystany jako materiał na osłony cieplne, lądowiska i platformy startowe, drogi dojazdowe, hangary oraz wiele innych. Największy potencjał posiada regolit spiekany lub mieszany ze spoiwem polimerowym. Gdyby udało się osiągnąć założone cele, możliwość kolonizacji kosmosu i popularyzacja turystyki kosmicznej byłaby już tylko na wyciągnięcie ręki.
Jak dotąd otrzymane wyniki dają sporo powodów do zadowolenia, jednakże tylko w skali laboratoryjnej. W przyszłości naukowcy pragną skupić się na dokładniejszej analizie i poprawie spójności właściwości materiałów, a następnie przeskalowaniu procesów w celu stworzenia wielkogabarytowych struktur o wysokości sięgającej nawet do kilku metrów.
