Ученые создали из лунного грунта конструктор для баз на Луне

Сотрудники Университета Арканзаса продемонстрировали возможность создания взаимозацепляющихся строительных блоков путем 3D-печати имитированной лунной пыли. Технология не требует добавления посторонних материалов, что потенциально сокращает объем грузов, которые NASA необходимо доставлять с Земли для возведения постоянных поселений на спутнике. Работа опубликована в журнале NPJ Advanced Manufacturing под руководством старшего автора Ван Шоу, доцента кафедры машиностроения, и первого автора Кола Маккаллума, на момент проведения исследований студента бакалавриата того же университета.

Технология спекания реголита

Основным материалом служит лунный реголит — рыхлая пылевая масса, покрывающая поверхность Луны. В отличие от земной почвы, он не содержит органических соединений и состоит из острых частиц, образованных за миллиарды лет ударов астероидов, микрометеоритов и космического мусора. Для экспериментов исследователи использовали коммерчески доступный симулятор Lunar Highlands Regolith Simulant (LHS-1), воспроизводящий образцы, собранные во время миссий «Аполлон» в 1960-х и начале 1970-х годов.

Процесс изготовления кирпичей основан на технологии лазерного сплавления порошковых слоев. Тонкий слой порошка распределяется по плоской поверхности, после чего концентрированный источник света нагревает выбранные участки, вызывая спекание частиц друг с другом. Платформа принтера опускается, добавляется новый слой, и цикл повторяется до формирования трехмерного объекта. Команда впервые доказала, что имитированный реголит можно спечь в перестраиваемые блоки без связующего агента, используя источник света относительно низкой мощности.

Проблемы прочности и условия эксплуатации

Ранее другие группы успешно печатали объекты из реголита, смешанного со связующими веществами, однако доставка этих компонентов с Земли увеличивает общую массу строительных материалов. Кол Маккаллум отметил: «Больше ни к чему привязывать. Порошок реголита связывается сам с собой». Исследователи получили блоки размером несколько сантиметров, включая элементы в форме креста и буквы H, которые соединяются подобно деталям конструктора LEGO.

Несмотря на успех в создании сцепляемых блоков, материал пока недостаточно прочен для всех задач лунного строительства. Кирпичи из чистого имитированного реголита оказались более пористыми и структурно слабее объектов, напечатанных со связующими. «Эти структуры могут быть самоподдерживающимися», — пояснил Маккаллум. — «Но я бы не рискнул утверждать, что наш процесс сейчас подходит для несущих конструкций».

Ван Шоу подчеркнул необходимость дальнейших экспериментов для понимания поведения процесса печати в условиях микрогравитации и вакуума. Также требуются улучшения механических свойств кирпичей перед их практическим применением. Тем не менее, ученый сохраняет оптимизм относительно эффективности метода для производства компонентов будущих лунных поселений.

Карьера участников исследования

Для Кола Маккаллума проект стал важным этапом научной карьеры. Уроженец Литтл-Рока, штат Арканзас, он присоединился к лаборатории Ван Шоу на раннем этапе обучения, вдохновленный убеждением профессора в необходимости вовлечения студентов в исследовательскую работу. «Он очень верил, что студенты бакалавриата должны больше участвовать в исследованиях», — рассказал Маккаллум.

Выпустившись в мае со степенями по машиностроению и физике, Маккаллум получил первую стипендию Lafayette Fellowship, учрежденную к 250-летию США. Из более чем 3400 заявок было отобрано лишь 30 стипендиатов для обучения в магистратуре во Франции. Сейчас он изучает аэрокосмическую инженерию в Тулузе в Institut Supérieur de l’Aéronautique et de l’Espace (ISAE-SUPAERO).

Хотя академические интересы Маккаллума сместились от аддитивного производства, опыт работы в лаборатории научил его преодолевать сложности научных изысканий. «Это помогает уточнять и преодолевать все проблемы исследователя. Я совершил много ошибок в первый раз», — отметил он. — «Было здорово иметь фору перед другими и ошибаться рано».

Работа поддержана грантом Honors College Undergraduate Research Grant для C.M. и пакетом Startup Package от Университета Арканзаса для W.S.