Для любителей и производителей 3D-печать расширяет творческие возможности; для специализированных инженеров это также ключ к проектированию космических аппаратов следующего поколения.

Если вы хотите увидеть научную фантастику в действии, посетите современный механический цех, где 3D-принтеры создают материалы практически любой формы, которую вы можете себе представить. НАСА изучает метод, известный как аддитивное производство, когда его используют для создания ракетных двигателей, а также потенциальных аванпостов на Луне и Марсе. Марсоход НАСА Perseverance, который приземлится на Красной планете 18 февраля 2021 года, имеет в своей конструкции 11 металлических деталей, изготовленных с помощью 3D-печати.

Вместо ковки, формовки или резки материалов в 3D-печати используются лазеры, которые расплавляют порошок в последовательных слоях, чтобы придать форму. Это позволяет инженерам экспериментировать с уникальными конструкциями и особенностями, например делать оборудование легче, прочнее или реагировать на жару или холод.

«Это похоже на работу с папье-маше», — сказал Андре Пейт, руководитель группы аддитивного производства в Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии. «Вы строите слой за слоем, и вскоре у вас получается деталь».

Curiosity, предшественник Perseverance, был первой миссией, которая перенесла 3D-печать на Красную планету. Он приземлился в 2012 году с керамической частью, напечатанной на 3D-принтере, внутри прибора для анализа образцов, похожего на печь — SAM. С тех пор НАСА продолжает тестировать 3D-печать для использования в космических кораблях, чтобы убедиться в надежности деталей.

В качестве «второстепенных структур» печатные детали на Perseverance не поставили бы под угрозу миссию, если бы они работали не так, как планировалось, но, как сказал Пейт, «полет этих деталей на Марс — огромная веха, которая немного больше приоткрывает двери для аддитивного производства в космической промышленности».

Оболочка для PIXL

Из 11 напечатанных деталей, отправленных с марсоходом на Марс, пять находятся в приборе PIXL Perseverance. Сокращенно от Planetary Instrument for X-ray Lithochemistry, устройство размером с коробку для завтрака поможет марсоходу отыскивать признаки окаменелой микробной жизни, стреляя рентгеновскими лучами в скальные поверхности для их анализа.

PIXL делит пространство с другими инструментами во вращающейся башне весом 40 кг на конце роботизированной руки марсохода длиной 2 метра. Чтобы сделать инструмент как можно более легким, команда JPL разработала состоящий из двух частей титановый корпус, монтажную раму и две опорные стойки, которые прикрепляют корпус к концу руки, чтобы они были полыми и очень тонкими. Фактически, детали, которые были напечатаны на 3D-принтере поставщиком Carpenter Additive, имеют в три или четыре раза меньшую массу, чем если бы они были произведены традиционным способом.

«В прямом смысле слова 3D-печать сделала возможным этот инструмент», — сказал Майкл Шейн, ведущий инженер-механик PIXL в JPL. «Эти методы позволили нам добиться малой массы и высокой точности наведения, которые невозможно было сделать с помощью обычного изготовления».

MOXIE — внутренний огонь

Шесть других напечатанных на 3D-принтере деталей Perseverance можно найти в приборе под названием Mars Oxygen In-situ Resource Utilization Experiment, или MOXIE. Это устройство будет проверять технологию, которая в будущем могла бы производить промышленные количества кислорода для создания ракетного топлива на Марсе, помогая астронавтам возвращаться на Землю.

Чтобы создать кислород, MOXIE нагревает марсианский воздух почти до 800 градусов по Цельсию. Внутри устройства находятся шесть теплообменников — пластины из никелевого сплава размером с ладонь, которые защищают ключевые части инструмента от воздействия высоких температур.

В то время как теплообменник, обработанный традиционным способом, должен был быть сделан из двух частей и сварен вместе, каждый из теплообменников MOXIE был напечатан на 3D-принтере как единое целое в соседнем Калифорнийском технологическом институте.

«Такие никелевые детали называют суперсплавами, потому что они сохраняют свою прочность даже при очень высоких температурах», — сказал Самад Фирдози, инженер по материалам JPL, который участвовал в разработке теплообменников. «Суперсплавы обычно используются в реактивных двигателях или энергетических турбинах. Они действительно хорошо сопротивляются коррозии, даже когда очень горячие».

Хотя новый производственный процесс предлагает удобство, каждый слой сплава, который наносит принтер, может образовывать поры или трещины, которые могут ослабить материал. Чтобы избежать этого, пластины обрабатывали в горячем изостатическом прессе — газовой дробилке, который нагревает материал до температуры более 1000 градусов по Цельсию и равномерно создает интенсивное давление вокруг детали. Затем инженеры использовали микроскопы и провели множество механических испытаний, чтобы проверить микроструктуру теплообменников и убедиться, что они подходят для космических полетов.

Ключевой целью миссии Perseverance на Марсе является астробиология, включая поиск признаков древней микробной жизни. Марсоход будет изучать геологию планеты и прошлый климат, проложить путь для исследования Красной планеты людьми и станет первой миссией по сбору и хранению марсианских камней и реголита (битых камней и пыли).

Последующие миссии, которые в настоящее время рассматриваются НАСА в сотрудничестве с Европейским космическим агентством (ESA), отправят космический корабль на Марс, чтобы собрать эти образцы с поверхности и вернуть их на Землю для углубленного анализа.