К 2028 году NASA планирует осуществить посадку «первой женщины и первого человека с цветным происхождением» на Луну в рамках миссии [Artemis III](https://www.nasa.gov/mission/artemis-iii/). Это будет первый случай посещения людьми лунной поверхности с момента, когда астронавты Apollo в последний раз ходили там в 1972 году.
Вместе с международными и коммерческими партнёрами NASA надеется, что программа Artemis обеспечит «устойчивую программу исследования и освоения Луны», которая может включать долгосрочные объекты и базы на спутнике. Учитывая затраты на запуск тяжёлых грузов, отправка всего необходимого оборудования и материалов на Луну нецелесообразна.
Поэтому структуры на Луне должны быть изготовлены с использованием местных ресурсов — процесс, известный как [использование ресурсов на месте](https://www.nasa.gov/mission/in-situ-resource-utilization-isru/) (ISRU). На Луне этот процесс использует достижения в области аддитивного производства (AM), или 3D-печати, для превращения лунного реголита в строительные материалы. К сожалению, технические проблемы означают, что большинство методов 3D-печати неприменимы на лунной поверхности.
В [недавнем исследовании](https://arxiv.org/abs/2506.06392), опубликованном на сервере препринтов arXiv, группа исследователей под руководством Университета Арканзаса предложила альтернативный метод, в котором для изготовления лунных кирпичей используется световое спекание, а не печать целых конструкций.
Исследовательская группа
Исследовательскую группу возглавляет Ван Шоу, доцент кафедры машиностроения в Университете Арканзаса. К нему присоединились Коул Маккаллум, Ювен Лян и Нахид Тушар, научный сотрудник колледжа с отличием, научный сотрудник и докторант инженерного колледжа университета. В команду также вошли исследователи из Департамента машиностроения и аэрокосмической техники Университета Хьюстона и факультета инженерии и естественных наук Университета Тампере.
Создание постоянной базы на Луне
Как отмечают исследователи, создание постоянной (или полупостоянной) базы на Луне было предметом исследований и предложений ещё со времён программы Apollo. Эти планы всегда омрачались простым фактом: для доставки необходимого оборудования и строительных материалов потребовалось бы много тяжёлых ракет-носителей, что связано с большими затратами. Хотя стоимость отправки полезных грузов значительно снизилась за последнее десятилетие, во многом благодаря развитию коммерческого космического сектора, стоимость запуска всего, что понадобится астронавтам для строительства лунной базы, по-прежнему непомерно высока.
В результате для создания баз на Луне подойдёт только ISRU. К сожалению, большинство предлагаемых методов 3D-печати конструкций неприменимы в лунных условиях, где гравитация значительно ниже (16,5% от земной) и экстремальные температуры. В бассейне Южный полюс — Эйткен на Луне, где NASA и другие космические агентства планируют построить свои базы, температура колеблется от 54 °C (130 °F) в солнечных районах до −246 °C (−410 °F) в затенённых регионах.
Европейское космическое агентство (ESA)
Примеры включают работу Европейского космического агентства (ESA) с архитектурной фирмой [Foster + Partners](https://www.fosterandpartners.com/) для создания концепции [3D-печати лунной базы](https://www.universetoday.com/articles/esa-planning-to-build-an-international-village-on-the-moon).
Профессор Су объяснил, что существует множество методов AM, требующих растворителя для приготовления пасты или композитов для экструзии или печати; эти подходы неосуществимы, поскольку транспортировка растворителей может быть очень дорогой, а испарение растворителей может вызвать множество потенциальных проблем.
Технология спекания также изучалась как потенциальный метод 3D-печати конструкций на Луне. Она заключается в бомбардировке реголита лазерами, микроволнами или другими источниками энергии для превращения его в расплавленную керамику. Эта керамика затем печатается слой за слоем, а после охлаждения и затвердевания на воздухе или в вакууме лунной среды. Этот метод энергоёмкий и, вероятно, потребует ядерного источника питания, такого как киломощный реактор.
«Наша команда представляет себе систему, в которой для самих конструкций потребуется только лунный материал, что позволит устранить узкое место, связанное с необходимостью пополнения запасов связующего вещества с Земли», — добавил Коул, который был первым автором статьи, описывающей их выводы.
Метод, который они испытали и рекомендуют, известен как световое спекание, которое полагается на солнечный свет, концентрируемый набором оптических приборов, для бомбардировки и плавления лунного реголита в сырьё. Исследователи испытали эту технологию на Земле, используя имитатор лунного реголита для изготовления стекла и зеркал. На Луне солнечная энергия постоянно присутствует и в изобилии в солнечных регионах, что делает её гораздо более надёжной, чем источник питания, который необходимо транспортировать. Простота системы делает её весьма желательной для сложных условий, где ремонт будет затруднён в случае поломки.
Однако эксперименты показали, что технология всё ещё испытывает проблемы при использовании для изготовления целых конструкций. Поэтому команда Су сосредоточилась на изготовлении строительных компонентов.
Коул сказал: «Хотя большинство исследований по этой теме всё ещё опирается на смесь связующего вещества и лунного грунта, содержание кремнезёма в реголите таково, что при достаточно высоких температурах он может связываться сам с собой при спекании. Мы обнаружили, что при попытке сделать это с более крупными конструкциями было меньше однородности и, следовательно, меньше точности в созданных нами деталях».
«Из этого мы определили, что лучшим вариантом использования нашего метода было сосредоточение внимания на изготовлении большого количества взаимосвязанных и реконфигурируемых кирпичей для использования в крупномасштабных конструкциях. Мы считаем, что такой подход, подобный «Lego Bricks», также выгоден, потому что оборудование может соответствовать ограничениям по объёму для лунных миссий, поскольку общий объём, необходимый для изготовления каждой детали, намного меньше».
Их работа основана на существующих исследованиях в области технологии спекания, которая использует различные источники энергии для плавления лунного реголита и создания строительных материалов. Это включает в себя работу NASA с космической архитектурной фирмой [SINTERHAB](https://spacearchitect.org/portfolio-item/global-moon-village-2/), которая предложила оснастить транспортное средство агентства [All-Terrain Hex-Limbed Extra-Terrestrial Explorer](https://www-robotics.jpl.nasa.gov/how-we-do-it/systems/the-athlete-rover/) (ATHLETE) технологией микроволнового спекания. Однако, по словам Коула, их концепция особенно привлекательна из-за способа производства реконфигурируемых кирпичей.
«Гибкость наших кирпичных сборок, в частности, впечатляет из-за гибкости, которой мы можем достичь в процессе строительства. Поскольку для разных частей потребуются разные материалы, мы можем использовать множество техник в зависимости от решаемой проблемы. Для конструкций, где требуется большой объём материала и где не требуется высокая точность, как, например, в случае защиты от радиации, мы считаем, что наш метод имеет большие перспективы».
Однако, прежде чем концепция может быть реализована, необходимо проделать большую работу. Как указывает Шоу, необходимы 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. Им также необходимо рассмотреть, как полученный 3D-принтер будет перемещаться по лунной поверхности, на каких источниках питания он будет работать и другие вопросы.
«Когда дело доходит до полной реализации, предстоит проделать ещё много инженерных работ», — заключил Коул. «В будущем нам нужно будет рассмотреть, как меняется процесс спекания в вакууме или какие модификации платформы сборки потребуются, чтобы детали можно было надёжно изготавливать, отслеживая, например, солнце».
«Кроме того, наше устройство должно быть способно выдерживать суровые условия по сравнению с лабораторной средой, в которой мы работали во время этого исследования. Все эти задачи сложны, но, в конце концов, наука, стоящая за всем этим, хорошо изучена».
Предоставлено [Universe Today](https://phys.org/partners/universe-today/)