Новый 3D-принтер испытали в космосе при печати сложных моделей

В ходе программы НАСА в космос отправили два вида полезной нагрузки для суборбитальных лётных испытаний. Аппаратура стартовала ввысь 8 июня 2024 года с космодрома в Лас-Крусес, Нью-Мексико, на борту ракетного пилотируемого космоплана VSS Unity компании Virgin Galactic.


Полезной нагрузкой было оборудование двух университетов: Калифорнийского в Беркли и Университета Пердью в Уэст-Лафайетте, штат Индиана. Груз калифорнийцев предназначался для изучения нового типа 3D-печати. А аппаратура из Индианы нужна для исследования того, как выплеск жидкого топлива влияет на направление космического корабля.

В результате учёные из Калифорнии успешно испытали 3D-принтер под названием SpaceCAL. Во время 140-секундного пробного запуска SpaceCAL напечатал четыре изделия из жидкого пластика (гидрогеля) типа PEGDA. Это были модели космических шаттлов и кораблики-буксиры под названием Benchy. Их обычно используют как эталонные по сложности для оценки качества и производительности принтера.

Участник проекта Тейлор Уодделл рассказал, что SpaceCAL хорошо зарекомендовал себя в условиях микрогравитации при прошлых тестах. Первые испытания состоялись в ходе параболических полётов, когда гравитацию на борту самолёта ослабляли почти до суборбитальных значений. Космическая миссия, финансируемая в рамках программы NASA «Возможности для полетов», при поддержке других партнёров позволила затем проверить 3D-печать уже в космосе.

Технологии 3D-печати стремительно развивались в последнее десятилетие. Ранние изделия в основном печатали методом нанесения 3D-пикселей, называемых вокселями. Их очень тщательно, точку за точкой, слой за слоем, выстраивали в объёмную структуру. За последние пять лет учёные еще больше расширили возможности этой технологии, печатая всё более сложные детали из самых разных составляющих, от металлов до биоматериалов.

«Земного» предшественника SpaceCAL называли оборудованием для «компьютерной аксиальной литографии», откуда и появилась аббревиатура CAL. Прототип был разработан Хейденом Тейлором и его группой в Беркли в 2017 году. Ученые стремились решить проблему недостатков технологий 3D-печати. Требовались принтеры, способные создавать предметы со сложной геометрией за один сеанс печати.



Вместо того, чтобы создавать конструкции снизу вверх, в CAL использован луч света для запуска химического отверждения заданных форм в фоточувствительной смоле. Благодаря этому за один заход получается создать довольно сложную 3D-деталь.

Отверждение изделия происходит в результате реакции полимеризации, при которой химические строительные блоки, содержащиеся в смоле, соединяются под действием света в цепочку или полимер. В результате удаётся в точности и быстро формировать сложные 3D-структуры с высоким разрешением.

И CAL, и SpaceCAL могут создавать сложные детали всего за 20 секунд — это сущемтвенный технологический прорыв по сравнению с принтерами, которым обычно требуются часы для создания подобных объектов. Разработчики также продемонстрировали универсальность системы, успешно печатая предметы из более чем 60 различных видов сырья: силиконы, стеклянные композиты и различные биоматериалы.

Способность эффективно работать в условиях микрогравитации, где многие другие 3D-принтеры сталкиваются с проблемами, делает CAL и SpaceCAL особенно перспективными для применения в космических исследованиях. Кстати, в условиях низкой гравитации возникают преимущества для 3D-печати. Уодделл подчеркнул, что на орбите удаётся печатать детали, которые невозможно создать на Земле. Дело в том, что отсутствие силы тяжести сводит к минимуму проблемы, связанные с текучестью и усадкой материала, улучшает некоторые свойства «чернил» и даёт больше свободы при проектировании.

Предполагается, что 3D-печать станет неотъемлемой частью предстоящих космических миссий. НАСА и Европейское космическое агентство уже начали продвигать планы по 3D-печати на Луне и на Международной космической станции.

В результате космонавты получат возможность прямо в космосе либо на спутнике Земли самостоятельно производить стройматериалы, инструменты, медицинское оборудование и запчасти. И если космический корабль выйдет из строя, можно будет напечатать уплотнительные кольца, механические крепления и даже инструменты, пояснил Уодделл.

Учёный добавил, что благодаря достижениям в области 3D-биопечати CAL поможет «отремонтировать» и сам экипаж.


— Уодделл.

А ещё объекты, напечатанные на 3D-принтере в космосе, могут принести пользу на нашей планете. Долгосрочная цель учёных состоит в том, чтобы с помощью CAL печатать органы в космосе, а затем доставить их нуждающимся пациентам на Землю.