В научной фантастике, обычно есть гаджет, который удовлетворяет любую потребность, начиная от еды и заканчивая целым домом. Если бы все было так просто.
Строить что-то в космосе - это исключительно сложная задача. Все необходимые инструменты и принадлежности должны быть небольшого размера, чтобы уместиться внутри ракеты, и достаточно прочными, чтобы не сломаться. Точно так же тяжелая техника, которую мы обычно используем для строительных проектов, например, краны для транспортировки тяжелых грузов и подъемники с ножничным механизмом, не приспособлены для работы нигде, кроме Земли.
Однако прогресс в области технологий и методов строительства позволяет осуществлять освоение космоса в большем объеме, чем когда бы то ни было. При тех темпах, с которыми мы движемся, вполне возможно, что будущее строительной отрасли будет во многом связано с космосом.
Давайте посмотрим на специфику космического строительства и что оно собой представляет
Что такое "Космическое строительство"?
Космическое строительство - это понятие строительства в космосе а не на Земле. Оно может также относиться к производству материалов в космосе или внеземному производству, то есть к проектированию объектов в космосе.
Создание объектов в космосе может потребоваться по ряду причин. Когда рассматриваемая конструкция слишком велика для транспортировки с помощью космического корабля или когда компоненты слишком хрупки для того, чтобы выдержать запуск, то космическое строительство может быть логичным решением.
Хотя такое строительство имеет свои преимущества, оно также сопряжено с целым рядом уникальных сложностей. Стандартные методы проектирования и правила архитектуры больше не действуют в отсутствии гравитации. И хотя благодаря космическому строительству не возникает проблем с транспортировкой конструкций с помощью космических кораблей, материалы и оборудование, необходимые для строительства, все равно необходимо доставлять с Земли.
Несмотря на то, что препятствий для такого строительства все еще много, инженеры и ученые уже достаточно много узнали о том, как лучше всего строить в космосе.
Как строить в космосе
Строительство в космосе сильно отличается от строительства на Земле. С одной стороны, отсутствие гравитации делает совершенно бесполезными обычные законы физики и проектирования, которые лежат в основе строительства на Земле. Но то, что архитектурное проектирование может развиваться в космосе, не означает, что строительство там не имеет своих проблем.
Один из проблем, с которым сталкиваются строения в космосе, заключается в том, чтобы сделать что-то, способное выдержать экстремальные условия космоса. В частности, необходимо использовать материал, способный выдержать радиационное облучение. Должны быть решены и другие проблемы, вроде того, является ли он достаточно прочным, чтобы выйти из земной атмосферы, но в тоже время достаточно легким, чтобы не препятствовать взлету.
Хоть и кажется, что эти материалы - всего лишь перспектива мечтаний, новые строительные материалы, возможно, и решают эти проблемы. Эти новые материалы экономически обоснованы, способны противостоять радиации, могут быть переработаны и имеют более длительный срок службы. Кроме того, были созданы специализированные инструменты для борьбы с воздействием микрогравитации и перемещения больших конструкций.
Материалы для космического строительства
NASA объявило о том, что разрабатывает технологии и методы создания конструкций на поверхности других планет с использованием местных или локальных ресурсов. Научившись использовать эти ресурсы, можно решить многие основные проблемы, с которыми приходится сталкиваться, особенно когда речь идет о транспортировке материалов, необходимых для строительства.
Другим важным средством производства строительных материалов является вторичная переработка старых или изношенных частей. Один из материалов, часто используемых NASA на МКС, называется акрилонитрил-бутадиен-стирол (АБС) - специальный полимер, из которого можно изготавливать болты, гаечные ключи и многое другое. Когда эти предметы ломаются или заканчиваются, их можно перерабатывать, а АБС можно использовать повторно.
Фактически процесс разрушения этих инструментов и других предметов с целью их повторной переработки является сложным. Проект In-Situ Fabrication and Repair (Производство и ремонт на месте) был создан специально для того, чтобы найти новые способы изготовления, ремонта и переработки инструментов, частей оборудования, конструкций с использованием Лунных материалов, переработанных деталей космических кораблей, мусора, отходов жизнедеятельности человека и целого ряда других предметов.
Благодаря таким специалистам, как специалисты проекта In-Situ, появились новые технологии, позволяющие сделать утилизацию космических материалов еще более эффективной. Recycler - это машина, которая перерабатывает полимерные материалы, такие как ABS, используемые для 3D-принтера на Международной космической станции (МКС).
Экипажи могут перерабатывать изношенные инструменты и материалы в Recycler, который впоследствии преобразует их обратно в полимерную базу, изначально использованную для их создания. Затем экипажи могут повторно использовать полимер для 3D-печати других инструментов и предметов, которые можно использовать для строительства и ремонта.
Другая аналогичная машина, называемая In-Space Refabicator, на самом деле сочетает в себе работу Recycler и 3D-принтера, что делает ее своего рода "единым цехом" для переработки старых инструментов. В установке In-Space Refabricator могут использоваться даже материалы, которые традиционные 3D-принтеры использовать не могут, такие как пластиковая упаковка и пенопласт.
3D-принтеры: Будущее строительства
Из множества полезных инструментов и устройств, изобретенных для космического строительства, наибольшую роль, возможно, играет 3D-принтер. Благодаря возможности генерировать все, что угодно - от маленьких гаек и болтов до больших помещений, универсальная функциональность 3D-принтера делает его принципиально новым технологическим решением для создания новых конструкций в космосе.
Тем не менее, космическое пространство все еще представляет собой проблему, которая затрудняет 3D печать. Одной из самых серьезных является микрогравитация, т.е. отсутствие гравитации и появление невесомости в пространстве.
Гравитация - это то, что позволяет слоям 3D-печати "прилипать" по мере того, как они печатаются и высушиваются. Без усилий, обеспечивающих правильную укладку объектов во время печати, чаще всего 3-х мерные напечатанные объекты оказываются дефектными.
Другая проблема принтера, вызванная нулевой гравитацией, - это структурная и конструктивная неточность. Малейшая ошибка в конструкции или зависание во время печати может привести к структурной неполноценности предмета, что, в свою очередь, может стать причиной катастрофы при печати необходимых инструментов в условиях полного отсутствия воздуха в помещении.
Стремясь устранить эти препятствия нулевой гравитации, компания Made In Space в партнерстве с NASA разработала специальный 3D-принтер под названием Additive Manufacturing Facility (AMF).
AMF использует метод, разработанный инженерами инновационной программы США по исследованию малого бизнеса для трехмерной печати в эксперименте Zero-G. Эксперимент позволил им разработать трехмерный принтер, который, несмотря на отсутствие гравитации, может печатать так же надежно, как и трехмерный принтер на Земле.
Принтер AMF был отправлен на МКС в 2014 году для тестирования. После того, как было распечатано более 200 инструментов и активов, AMF был официально признан успешным.
Имея в наличии принтер с функциональным рабочим пространством, экипажи могут печатать не только мелкие инструменты и принадлежности, но и целые жилые строения. На Земле 3D-печать в домах уже стала реальностью, и теперь те же самые типы строений можно изготавливать и в космосе.
The Archinaut One
Archinaut One - это проект от Made in Space, который сочетает в себе 3D-принтер и роботизированные манипуляторы для создания единого механизма, способного строить и собирать большие конструкции в космическом пространстве.
Как только работа над Archinaut One будет завершена, экипажи на Земле смогут отправить ему сырьевые материалы и цифровые файлы для проектирования, необходимые для создания конкретной конструкции. После этого Archinaut может распечатать компоненты конструкции и собрать их воедино с целью создания законченной постройки.
По данным NASA, эта система сможет сделать все, что угодно - от установки спутников до создания гигантских телескопов. Archinaut One планируется развернуть для испытательного полета не позднее 2022 года.
Космические инструменты
Экипажам, работающим в космосе, необходимы специальные инструменты, даже для выполнения базовых задач по строительству. Эти инструменты должны быть простыми в использовании, когда их носят в больших перчатках, и способными выдерживать суровые условия космоса.
Двумя наиболее универсальными инструментами для производства в космосе являются:
Дрель с пистолетной рукояткой.
Дрель с пистолетной рукояткой - это аккумуляторная дрель, специально разработанная для работы в космосе. Она предназначена не допустить возникновения усталости рук и покрыта сухой смазкой, так как жидкая смазка может привести к заклиниванию инструмента.
Установленный на нем компьютерный экран позволяет пользователю регулировать скорость сверления и крутящий момент. Он интенсивно использовался для ремонта как на МКС, так и на космическом телескопе Хаббл, что делает его одним из основных инструментов космического комплекта NASA.
The Candarms
Что было бы в космосе без строительного крана? Созданный в Канаде и спонсируемый Канадским космическим агентством, Канадский космический кран (известный также как "Кандарм") немного сложнее, чем краны на Земле. Как и обычный кран, он способен доставать до объектов, манипулировать ими и устанавливать их гораздо проще, нежели человек.
На самом деле "Canadarm " оказался настолько успешным, что ККА создало еще один, гораздо более крупный вариант под названием " Canadarm 2. Теперь Canadarm 2 прикреплен к МКС и может двигаться как гусеничный кран с большей гибкостью и большим размахом манипулятора, который растягивается по всей длине МКС.
В связи с производством Лунных Ворот, Канада взяла на себя обязательство построить еще один такой инструмент, получивший название " Canadarm 3", для оказания помощи в проведении крупномасштабных работ, ремонта и выхода в открытый космос.
Создание космических центров базирования
Концепция жизни на другой планете проникла не только в сферу научной фантастики, но и в дискуссии о социальном, политическом и экологическом прогрессе. Является ли жизнь на Марсе, в частности, возможностью для людей, - это вопрос, который ученые, журналисты и обычные люди задают на протяжении десятилетий.
С быстрым развитием технологий космического строительства мы как никогда близки к достижению жизни за пределами земной атмосферы.
Расширяемые ареалы обитания против наземных ареалов обитания
Существует два основных типа ареалов существования, которые могут быть созданы для использования в космосе: расширяемые ареалы и наземные. Разница между ними в основном связана с тем, где они будут располагаться.
Расширяемые ареалы включают в себя легкие надувные конструкции, которые могут быть созданы для использования на земле или в качестве свободноплавающих жилищ, зависающих в пространстве. С другой стороны, сухопутные ареалы являются более постоянными конструкциями, которые строятся на суше с использованием транспортируемых или находящихся на месте материалов. Строительство наземных ареалов может начинаться с расширяемых ареалов.
Расширяемые ареалы обитания
Расширяемые ареалы обладают рядом преимуществ. Возможно, самым очевидным их преимуществом является то, что они дешевле транспортируются на орбиту, потому что они легче и занимают меньше места перед тем, как их раздувают.
Прогнозируется, что расширяемые ареалы будут гораздо эффективнее защищать от космической радиации, чем их наземные аналоги, однако в настоящее время все еще проводятся испытания, направленные на выяснение того, насколько они способны быть защищенными.
Двумя наиболее заметными ареалами с возможностью расширения являются TransHab и Bigelow Expandable Activity Module (BEAM).
TransHab
Первоначально концепция надувных ареалов была разработана NASA в начале 60-х годов, а в конце 90-х годов был разработан экспериментальный модуль под названием TransHab. Модуль TransHab был разработан в качестве возможной альтернативы традиционным жилым помещениям, обычно использующимся астронавтами.
Позднее патенты на конструкцию "TransHab" были приобретены частной компанией "Bigelow", которая вскоре разработала свой собственный надувной модуль.
BEAM
BEAM - это расширяемый модуль космической станции, который в настоящее время прикреплен к МКС, где он был первоначально установлен в мае 2016 года.
Изначально планировалось, что BEAM останется прикрепленным к МКС только до конца 2020 года, однако в настоящее время этот срок продлен до 2028 года. Успех BEAM является хорошим знаком для расширяемых ареалов в качестве основного инструмента для будущих космических исследований и проживания в космосе.
Наземные ареалы обитания
Наземные ареалы обитания больше похожи на земные конструкции, поскольку они предназначены для долговременного размещения на поверхности планеты. Наземные ареалы обитания можно построить из материалов, поставляемых с Земли, однако инженеры напряженно работают над тем, чтобы преобразовать планетарные ресурсы в строительные материалы.
Создание локальной зоны обитания может оказаться непростой задачей, поскольку большая часть материалов, поступающих с разных планет, небезопасна для человека. Пыль на Марсе, например, токсична для человека, а другие материалы на других планетах могут быть не столь пригодны для строительства, как те, которые используются на Земле.
Инженеры тестируют методы печати зданий на внеземных планетах с использованием ресурсов этой планеты. Хотя ни один из методов еще не доведен до совершенства, результаты выглядят многообещающими, как показал конкурс на тиражирование трехмерной печати на Марсе.
Два предлагаемых земных ареала обитания - Лунная база и Ледяной дом на Марсе.
Лунная база
NASA недавно объявило о планах вернуться на Луну и создать лунный форпост. Они обнародовали проектные планы своей базы, но вопрос о том, как ее построить, до сих пор остается открытым.
Самым многообещающим и, казалось бы, простым методом на самом деле может быть использование трехмерного принтера с использованием лунных материалов.
Ледовый дом на Марсе
Одной из главных задач НАСА на протяжении столетия было создание трехмерной печатной базы для исследования глубокого космоса, и Ледяной дом на Марсе стал победителем в этом проекте. Их дизайнеры использовали "водный принцип", как они выразились, используя воду в качестве основного материала для 3D-печати.
Это позволяет создать естественную, наземную зону обитания, которая использовала бы способность воды и льда фильтровать солнечные лучи и обеспечивать естественный свет, аналогично тому, как дома на Земле могут использовать естественный свет.
Строительные материалы будущего
Мы прошли долгий путь с переработкой и использованием материалов на местах, но впереди нас ждет еще долгий путь. Использование строительных материалов в условиях футуристической застройки позволит решить многие проблемы, которые могут возникнуть при строительстве в космосе. Вот несколько наиболее перспективных:
Бетон
Согласно исследованию Национального космического общества, бетон может быть полезным материалом для строительства в космосе. Армированный бетон будет иметь большое преимущество, особенно с учетом того, что один из двух компонентов бетона ( наполнитель) может быть заменен лунной пылью, в результате чего получается более прочный продукт.
Добавим к этому тот факт, что такие достижения, как самовосстанавливающийся бетон и бетон, вырабатывающий энергию, становятся жизнеспособными, и бетон начинает выглядеть как недорогой и невероятно полезный материал для строительства в космосе.
Прозрачный алюминий
Прозрачный алюминий является одним из наиболее перспективных материалов для использования в космической промышленности. Это алюминиевый сплав, который на 85% тверже сапфира и устойчив к окислению, коррозии и радиации.
Космическая радиация может быть проблемой для космонавтов, но прозрачный алюминий может помочь обеспечить интенсивную защиту человека в космосе.
Графен
Графен - это удивительный материал с фантастическими свойствами в различных воплощениях. Это углерод для 3D печати, прочность которого в 200 раз превышает прочность стали, но при этом он намного легче. Благодаря тому, что он настолько легкий, его легче транспортировать в космос и использовать для строительства различных механизмов, транспортных средств и зданий.
Строительные проекты в космосе
Используя различные методы и материалы, описанные выше, многие проекты уже осуществляются. Несмотря на то, что некоторые из них могут находиться только на стадии предварительной подготовки, это все свидетельствует о том, насколько далеко все зашло.
Вот три наиболее значимых проекта:
Международная космическая станция (МКС)
Сборка МКС была массовым мероприятием в области космической архитектуры. Строительство основной части МКС началось около 20 лет назад и завершилось в 2011 году.
NASA пояснило, что компоненты станции сооружаются на Земле, а затем запускаются в космос для их сборки космонавтами:
Дрель с пистолетной рукояткой.
The Canadarms
BEAM
По-прежнему ведутся работы по дополнению и обновлению, с такими внедрениями, как "Европейский роботизированный манипулятор" от ЕКА. Это приспособление будет использоваться для сборки российских сегментов МКС и передачи малых грузов изнутри космической станции наружу в космос.
Колония Марс
Строительство колонии на Марсе было идеей в головах многих с тех пор, как была открыта красная планета.
Ни для кого не секрет, что Илон Маск хочет отправиться на Марс, а его компания SpaceX планирует колонизировать красную планету в 2022 году. План состоит в том, чтобы использовать корабли как первые шаги для базы и колонии. Оттуда начнется строительство колонии.
В настоящее время выдвигаются различные предложения по строительству колонии на Марсе, например:
- Ледяной дом на Марсе
- Изготовление кирпича для строительства с использованием строительных материалов на месте
- 3D-печать с использованием переработанных, отгруженных или находящихся на месте материалов
Лунные ворота
Шлюз будет новым космическим кораблем NASA, действующим как временный центр и штаб-квартира для астронавтов, оборудованный различными лабораториями, жилыми помещениями и стыковочными портами. Планируется построить его, по крайней мере, с пятью запусками ракет, доставляя в космос все необходимые для станции материалы и строя по мере их транспортировки.
Большая часть шлюза будет отправлена в космос для автоматической сборки в партнерстве с разными компаниями и международными агентствами. Начало строительства начнется где-то в 2022 году, и хотя не все будет создано в космосе, это все же свидетельствует о том, насколько далеко зашли проектирование и строительство.
Идея занять космос уже не так далека, как когда-то казалось, точно так же, как люди сейчас строят подводные конструкции. Фактически, это происходит прямо сейчас, и планы по колонизации других планет уже находятся в стадии реализации. В строительной отрасли будет много работы, после того как все станет официально, и, несмотря на то, что космос и Земля достаточно разные, необходимые для строительства навыки могут быть использованы в космической архитектуре.
