К 2028 году НАСА намерено высадить на Луну «первую женщину и первого цветного человека» в рамках миссии «Артемида 3». Это будет первый выход человека на поверхность Луны с момента последней прогулки астронавтов «Аполлона» в 1972 году. Вместе с международными и коммерческими партнёрами НАСА надеется, что «Артемида» позволит реализовать «устойчивую программу исследования и освоения Луны», которая может включать строительство долгосрочных объектов и мест обитания на Луне. Учитывая расходы на запуск полезной нагрузки, нецелесообразно отправлять на Луну всё необходимое оборудование и материалы для строительства.

Это означает, что сооружения на Луне придётся изготавливать с использованием местных ресурсов – такой подход называется «использование ресурсов на месте» (ISRU). На Луне планируется делать это при помощи достижений в области аддитивного производства, или 3D-печати, и превращать лунный реголит в строительные материалы. К сожалению, из-за технических проблем большинство методов 3D-печати не получится использовать на лунной поверхности. В недавнем исследовании группа учёных под руководством Университета Арканзаса предложила альтернативный метод, при котором для производства лунных строительных блоков используется световое спекание, а не печать структур.

Исследовательскую группу возглавляет Ван Шоу, доцент кафедры машиностроения Арканзасского университета. К нему присоединились Коул МакКаллум, Ювен Лян и Нахид Тушар, стипендиат колледжа отличников, ассистент исследователя и докторант инженерного колледжа университета. В команду также вошли исследователи с факультета механической и аэрокосмической инженерии Хьюстонского университета и факультета инженерных и естественных наук Университета Тампере.

Как отмечается в статье, создание постоянной (или полупостоянной) базы на Луне было предметом исследований и предложений ещё со времён «Аполлона». Эти планы всегда были омрачены тем простым фактом, что для доставки необходимого оборудования и строительных материалов потребуется множество тяжёлых ракет-носителей, которые будут стоить очень дорого. Хотя за последнее десятилетие стоимость доставки полезной нагрузки значительно снизилась, во многом благодаря разработке коммерческим космическим сектором многоразовых ракет, стоимость запуска всего, что потребуется астронавтам для строительства лунного комплекса, всё ещё остаётся непомерно высокой.

В результате для создания баз на Луне разумно будет использовать только ISRU. К сожалению, большинство предлагаемых методов 3D-печати конструкций не применимы в лунной среде, где гравитация значительно ниже (16,5% от земной), а температуры экстремальны. В бассейне Южный полюс — Айткен на Луне, где NASA и другие космические агентства планируют построить свои базы, температура колеблется от 54°C на освещённых солнцем участках до -246°C в затенённых областях. Большинство методов 3D-печати требуют доставки на Луну дополнительных материалов, включая растворители, полимеры или другие связующие вещества.

В качестве примера можно привести работу Европейского космического агентства (ESA) с архитектурным бюро Foster + Partners над созданием концепции лунной базы, напечатанной на 3D-принтере. Как объяснил профессор Соу:

Существует множество методов 3D-печати, которые требуют растворителя для приготовления пасты или композитов для экструзии или печати; такие подходы нецелесообразны, поскольку транспортировка растворителей может быть очень дорогой, а испарение растворителей может вызвать множество потенциальных проблем. Некоторые методы используют связующие вещества или полимеры; они имеют схожие проблемы — доставка дополнительных материалов, обработка отходов. Кроме того, для работы этих машин (например, принтеров) требуется энергия.

Технология спекания рассматривается как один из методов 3D-печати структур на Луне. Она заключается в облучении реголита лазерами, микроволнами или другими источниками энергии, чтобы превратить его в расплавленную керамику. Затем эта керамика печатается слой за слоем, остывает и затвердевает под воздействием воздуха или вакуума лунной среды. Этот метод является энергоёмким и, скорее всего, потребует использования ядерного источника энергии, например реактора большой мощности.

«Наша команда представляет себе систему, в которой для самих конструкций понадобится только лунный материал, что устраняет узкое место, связанное с необходимостью доставки связующих материалов с Земли», — добавил Коул, который был первым автором статьи, описывающей их результаты.

Метод, который они протестировали и рекомендуют, известен как световое спекание, которое основано на использовании солнечного света, сконцентрированного с помощью оптики, для облучения и расплавления лунного реголита в сырьё. Исследователи уже опробовали эту технологию на Земле, используя симуляцию лунного реголита для производства стекла и зеркал. На Луне солнечная энергия в изобилии присутствует в освещённых солнцем регионах, что делает её гораздо более надёжной, чем источник энергии, который необходимо будет везти туда с Земли. Простота системы делает её очень привлекательной для использования в сложных условиях, где в случае поломки трудно что-либо ремонтировать.

Однако эксперименты показали, что при использовании такой технологии для создания структур целиком возникают новые проблемы. Поэтому команда Соу сосредоточилась на производстве отдельных строительных блоков. Саид Коул:

Хотя большинство исследований на эту тему по-прежнему опираются на смесь связующего вещества и лунного грунта, содержание кремния в реголите таково, что при достаточно высоких температурах он может связываться сам с собой при спекании. Когда мы попытались сделать это с более крупными структурами, мы обнаружили, что в созданных нами деталях меньше однородности и, следовательно, меньше точности.

Исходя из этого, мы решили, что лучшим вариантом использования нашего метода будет изготовление большого количества взаимосвязанных и реконфигурируемых кирпичей для использования в крупномасштабных конструкциях. Мы считаем, что такой «Lego-подход» выгоден ещё и потому, что оборудование может соответствовать ограничениям по объёму для лунных миссий, поскольку общее пространство, необходимое для изготовления каждого блока, будет гораздо меньше.

Их работа опирается на существующие исследования в области технологии спекания, которая использует различные источники энергии для расплавления лунного реголита и создания строительных материалов. К ним относится работа НАСА с космической архитектурной компанией SINTERHAB, которая предложила оснастить вседорожный шестиногий внеземной исследовательский аппарат (ATHLETE) технологией микроволнового спекания. Однако, по словам Коула, их концепция особенно привлекательна тем, что позволяет получать реконфигурируемые кирпичи.

Реконфигурируемость наших блочных сборок, в частности, интересна из-за гибкости, которой мы можем достичь в процессе строительства. Поскольку для разных частей требуются разные материалы, мы способны использовать разные методы в зависимости от поставленной задачи. Для конструкций, где требуется большое количество материала и где не требуется высокая точность, как в случае с радиационной защитой, мы считаем, что наш метод имеет большие перспективы".

Однако прежде чем концепция будет реализована, предстоит проделать большую работу. Как отмечает Шоу, необходимо провести дополнительные исследования для оптимизации параметров спекания и свойств материала. Команда также планирует построить прототип и провести лабораторные испытания, которые, как они надеются, позволят им усовершенствовать и масштабировать технологию для использования на Луне. Также необходимо продумать, как полученный 3D-принтер будет передвигаться по лунной поверхности, на какие источники питания он будет опираться и т.п.

«Предстоит разработать ещё очень многое до того, как проект дойдёт до полного внедрения», — заключил Коул. «В будущем нам нужно будет рассмотреть, как меняется процесс спекания в вакууме, или какие модификации платформы для сборки потребуются, чтобы детали можно было надёжно изготавливать, например, во время слежения за солнцем. Кроме того, наше устройство должно быть способно выдерживать жёсткие условия по сравнению с лабораторными, в которых мы работали во время исследования. Всё это сложные проблемы, но, в конце концов, наука, лежащая в основе всего этого, хорошо изучена».