3D-принтеры помогут колонизировать Луну и Марс

В Томском политехническом университете, одном из опорных вузов «Росатома», приступили к изготовлению макета космического 3D-принтера. В 2022 году российские космонавты начнут печатать на таком принтере легкие и прочные детали прямо на борту МКС. За последние семь лет ТПУ реализовал серию космических проектов, сейчас в работе еще несколько. О том, как технологии 3D-печати и композитные материалы сделают комфортнее жизнь космонавтов, помогут разгадать загадки природы и колонизировать Луну и Марс, рассказал «СР» директор Инженерной школы новых производственных технологий ТПУ Алексей Яковлев.

— С чего началась космическая серия проектов ТПУ?

— С постановления № 218 правительства России о кооперации вузов и предприятий. Вместе с ракетно-космической корпорацией «Энергия» и Институтом физики прочности и материаловедения (ИФПМ) СО РАН в 2013 году мы вошли в мегапроект по созданию технологии контроля качества соединений, полученных методом сварки трением с перемешиванием. Наработки были нужны для изготовления элементов корпусов ракетно-космической техники нового поколения.

В 2015 году Томский политех в коллаборации с «Энергией» и ИФПМ создал научно-образовательный центр «Современные производственные технологии» и центр перспективных исследований «Многоуровневое динамическое моделирование материалов и конструкций». Еще через год открылся научно-образовательный Международный сетевой центр ресурсных испытаний материалов ТПУ. Все эти подразделения вошли в инжиниринговый центр перспективных материалов, в котором можно проводить исследования и продвигать наработки в космос.

В космос со второй попытки

— Такие, как спутник «Томск-ТПУ‑120»? Насколько я знаю, первый в мире космический аппарат, корпус которого изготовили на 3D-принтере.

— Это был наш подарок на 120-летие Томского политеха. Это единственный вузовский спутник, у которого есть сертификат «Роскосмоса» и НАСА. Идея создать спутник имени ТПУ пришла в голову ректору Петру Чубику. Он предложил, чтобы летательный аппарат был с секретом и передавал на Землю звуковой сигнал на разных языках, а радиолюбители со всего мира могли бы этот сигнал поймать. Проект воплотили меньше чем за год. Электронную начинку разработал Юго-Западный госуниверситет. Мы действительно сделали первый в мире наноспутник, корпус которого напечатан на 3D-принтере. Аппарат получился небольшим: 30 см длиной, 11 см шириной и глубиной, весом около 4 кг.

Долго подбирали материал, способный выдержать низкую и высокую температуры, ±100 °С, обычный пластик этим параметрам не отвечал. Нам пришлось подбирать сырье из перечня материалов, разрешенных к применению на МКС, и дорабатывать их. Аккумуляторы, питающие бортовую технику, не любят перепадов температур, мы для них напечатали на принтере специальные защитные блоки. На МКС спутник отправили 31 марта 2016 года на борту транспортного грузового корабля «Прогресс МС‑02» с космодрома Байконур. Но в космос он попал только со второго раза.

— Почему?

— О, это была история! Когда мы отправили спутник на Байконур и он уже ждал своей очереди на упаковку в транспортном корабле, пришло заключение баллистиков с запретом на вылет. Специалисты рассчитали, что если космонавт неудачно запустит наш спутник, то на втором витке он прилетит обратно на МКС и врежется в американский сектор. Будет международный скандал. Мы все стояли на ушах! Нам дали два дня на доработку конструкции. Чтобы изменить траекторию движения, нужно было сделать специальный тормозящий элемент, маленькую деталь в форме галстука-бабочки. Едва успели. Космонавты выпустили спутник на орбите на высоте около 400 км. Он говорил голосами 12 иностранных студентов ТПУ. Параллельно передавал телеметрию — ​информацию о параметрах работы всех систем. Около трех месяцев мы и «Роскосмос» его контролировали, он летал по заданной траектории, потом вошел в плотные слои атмосферы и сгорел. Пока он летал, его засекали радиолюбители и писали нам об этом. А точная копия спутника находится в московском Музее космонавтики, мы первый университет, удостоившийся такой чести.

Рой наноспутников

— Сейчас ваши наработки используются при создании серии космических аппаратов, которые смогут объединяться в рой и взаимодействовать друг с другом. Как развивается этот проект?

— «Рой малых космических аппаратов» — ​крупный проект, над ним работает команда более чем из 15 организаций также под руководством РКК «Энергия». Наш вуз отвечает за корпуса, Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники — ​за системы межспутниковой связи, НИИ ядерной физики МГУ делает детектор гамма-всплесков, «Сколтех» разрабатывает бортовой компьютер и системы ориентации и стабилизации с использованием программно-аппаратного комплекса Concurrent Engineering and Design Laboratory (CEDL).

C 2020 года мы должны запускать по 10 спутников в год на протяжении трех лет. На первом этапе они должны обмениваться информацией между собой, на втором — ​транслировать данные на МКС, а на третьем, заключительном, — ​стать системой позиционирования, сплоченной, как пчелиный рой.

— Зачем нужны такие спутники?

— Внешне спутники похожи, но бортовая аппаратура у них разная. У каждого аппарата свое назначение: исследование лесов на предмет баланса вырубок и новых посадок, наблюдение за поведением насекомых, климатическими изменениями, контроль урожайности на сельскохозяйственных территориях, зондирование почвы, исследование космических пространств, учет объема мусора, летающего на орбите планеты. И это только часть задач. Приведу пример: некоторое время назад в Киргизии, над озером Иссык-Куль, появились коричневые облака. Никто не может понять, что это за явление. Вся надежда на то, что наши спутниковые системы с помощью оптических методов контроля определят, с чем мы имеем дело.

3D-печать в невесомости

— На каком этапе проект по созданию макета космического 3D-принтера для печати композитными материалами на борту МКС?

— Конструкторская документация готова, договор с заказчиком подписан, делаем макет. Опытный образец принтера появится в 2021 году. После того как мы испытаем его и удостоверимся в том, что все расчеты верны, начнем строить уже летный вариант.

— Чем отличается космический 3D-принтер от обычных?

— Отличий много, ведь он будет работать в условиях невесомости, должна быть тщательно продумана система безопасности. В лаборатории на Земле ставишь принтер на стол, и он печатает. Если вдруг от пластика появится запах или полетят частички пыли, мы просто откроем окно и проветрим. На МКС форточек нет. Нужны хорошие фильтры и защитные устройства, система вентиляции, чтобы атмосфере на станции ничто не угрожало. За счет этих особенностей принтер будет больше и тяжелее, чем традиционные модели. Мы должны предусмотреть все нюансы работы без гравитации, чтобы все материалы прилипали друг к другу как надо, материал был прочным и детали нужной формы. Это не так просто. На Земле нас часто выручает сила тяготения, тут же придется обходиться без нее. Будет оригинальная конфигурация узлов, связанных с подачей материала, возможность позиционирования подложки и печатающей головки. Параллельно разрабатывается программное обеспечение для принтера.

— А что конкретно космонавты будут на нем печатать?

— Все что угодно. У них там много технологических разъемов, часто нужны заглушки из пластика, а они в условиях невесомости постоянно разлетаются. Без заглушек могут быть утечки электричества, током может ударить. Принтер в такой ситуации выручит: включил и напечатал. Можно делать любые детали взамен тех, что вышли из строя. Иногда нужны какие-то нестандартные инструменты, их можно спроектировать на компьютере или же запросить чертеж с Земли и тоже напечатать и пользоваться. Космонавты в зависимости от задач сами смогут менять состав композитных материалов, добавлять к полимерной матрице стекловолокно, углеволокно, металлы — ​от этого свойства полученных деталей будут меняться. Легковесность сохранится, но изделия станут тверже, смогут выдерживать экстремально низкие или, наоборот, высокие температуры. Космонавты оценят. Наш принтер может стать прототипом штатного оборудования орбитальных станций, а также марсианских и лунных комплексов.

С видом на орбиту

— Расскажите подробнее о проекте «Пересвет», в рамках которого ТПУ разрабатывает защитное покрытие для иллюми­наторов.

— В рамках эксперимента «Пересвет» на иллюминаторы МКС будет нанесено многослойное нанокомпозитное покрытие, защищающее стекла от космического мусора, микрометеоритов и космической пыли. Покрытия прошли все испытания, получен патент. В конце лета мы должны подписать договор и сразу начнем делать оборудование для нанесения покрытия в условиях космоса.

На иллюминаторах со временем накапливается космическая пыль, они теряют прозрачность, образуется налет. Плюс механические повреждения. Несколько лет назад в американском секторе произошло ЧП. У них есть большой стеклянный купол, чтобы любоваться космическими пейзажами, его радиус 60 см. В него прилетел метеорит и повредил стекло, оставив двухсантиметровую царапину. Астронавты теперь боятся, что трещина пойдет дальше и случится разгерметизация. Люк пришлось закрыть металлическим экраном. Теперь они ходят смотреть в космос из наших иллюминаторов — ​они почти втрое меньше, но надежнее. Наша технология поможет не только принимать превентивные меры, но и ремонтировать уже поврежденные участки, это будет как скол на лобовом стекле машины «залечить».

— Где-то еще можно будет использовать новое покрытие?

— Эту технологию мы планируем использовать и для защитных покрытий на фотоэлектронных преобразователях. Сейчас космические батареи покрыты стеклом без напыления, и когда они в свернутом виде, вроде бы ничего, но когда разворачиваются, имеют большую квадратуру и превращаются в космический пылесборник. Быстрее выходят из строя и дают меньше энергии. Наше напыление поможет решить проблему.

— В чем суть вашего проекта автономной орбитальной теплицы?

— В нынешнем году мы планируем подать заявку в «Роскосмос», чтобы войти в долгосрочную программу экспериментов на МКС и получить финансирование. В теплице мы будем выращивать разные растения в условиях космоса. Используем умное освещение, ускоряющее рост растений, специальные гидропонные установки, автоматический режим полива и сбора урожая, а вместо грунта будет питательный гель. В команде проекта ученые из ТПУ и Томского государственного университета, а также Томского госуниверситета систем управления и радиоэлектроники, Института химии нефти СО РАН и Сибирского НИИ сельского хозяйства и торфа. Было много экспериментов по выращиванию сельскохозяйственных культур в условиях микрогравитации, но все они проводились в жилых отсеках орбитальных станций. Мы же разрабатываем специализированный автономный модуль, способный поставлять продукты питания для космонавтов и при необходимости пристыковаться к МКС через шлюз. Когда-нибудь его можно будет использовать на Луне или на Марсе.

— На ваш взгляд, колонизации Луны и Марса — ​жизнеспособные проекты?

— Это все очень актуально и жизнеспособно. Я хорошо себе представляю, как мы улетели на Луну, вырыли окоп, напечатали на 3D-принтерах все необходимые для жизни сооружения, поставили теплицы. Думаю, что колония — ​перспектива ближайших 10 лет.

— Человек может быть счастлив не на Земле?

— Почему нет? Конечно, может. Думаю, лет через 15 мы не будем с вами гулять по улице свободно, это будет развлечение для экстремалов, а большинство людей будут перемещаться в герметичных капсулах, оборудованных всем, что нужно для счастья. В них будет тепло, светло, дышать приятно. Открыл один шкафчик — ​там курочки яйца несут, открыл другой — ​микрозелени сорвал, заглянул в третий — ​там корова молоко свежее дает. И обязательно рециклинг — ​все отходы в энергию. Прилетел куда надо, состыковался, сделал все дела с помощью манипуляторов. Никого не будет волновать, а что там за бортом. Никаких мошек и комаров, никакого коронавируса. У меня есть идея о том, как можно построить такую экспериментальную капсулу в Томске.