Як лазери та 3D-друк побудують наше майбутнє в космосі

Дослідження космосу значно просунулося за останні кілька десятиліть, і разом з цим зросли й наші амбіції. Йдеться вже не лише про відвідування далеких планет, а й про перебування там, і для цього ми активно шукаємо можливості для будівництва структур, які підтримуватимуть майбутню колонізацію космосу та міжзоряні подорожі.

Однак, будівництво поза Землею — це не те саме, що будівництво на Землі. Будівництво в космосі пов'язане з серйозними труднощами. 

Наприклад, сильні коливання температури можуть поставити під загрозу цілісність будівельних матеріалів, які ми використовуємо тут, на Землі. Також є мікрогравітація, вакуум космосу, радіація, дефіцит ресурсів, таких як вода та звичайні заповнювачі, а також логістика запуску та складання компонентів на орбіті або на позаземних поверхнях.

Усе це створює проблеми, які вимагають переосмислення як матеріалів, так і методів будівництва в космосі.

Такі досягнення, як космічний бетон, мікрохвильове спікання, лазерне спікання, термореактивні матеріали та плавлення/формування реголіту, є одними зі способів вирішення проблем суворих екологічних умов та дефіциту ресурсів.

Технологія 3D-друку – ще одна ключова інновація, що демонструє великий потенціал для створення складних середовищ існування та структур у космосі. Вона пропонує переваги точності, підвищеної ефективності, швидкого затвердіння, стабільності та мінімізації відходів. 

Цю технологію можна використовувати з місцевими матеріалами, такими як місячний та марсіанський ґрунт, для будівництва міцної інфраструктури, що зменшить потребу в транспортуванні всіх матеріалів із Землі.

Ще однією важливою інновацією є автоматизовані роботи, які будують бетонні конструкції в складних умовах та усувають потребу в людській праці. Вони мають можливості моніторингу в режимі реального часу, щоб забезпечити якість будівництва та безпеку для довгострокового проживання.

Отже, поле дослідження космосу та колонізація стрімко розвивається, і серед цього дослідники тепер винайшли спосіб побудувати справді великі споруди для сталих космічних операцій. 

Подорож NOM4D: Космічне виробництво на основі лазера

Команда інженерів з Університету Флориди (UF) є працює над виготовленням прецизійних металевих конструкцій¹ на орбіті за допомогою лазерної технології.  

Ідея полягає в тому, щоб спеціально побудувати масивні структури, такі як 100-метрова сонячна батарея на орбіті, використовуючи передові лазерні технології.  

Окрім сонячних панелей, команда прагне побачити великомасштабні конструкції, такі як космічні телескопи, супутникові антени або навіть частини космічних станцій, побудовані безпосередньо на орбіті, що ознаменувало б важливий крок до триваліших місій та сталих космічних операцій.

За словами Вікторії Міллер, доктора філософії, доцента кафедри матеріалознавства та інженерії Інженерного коледжу Герберта Вертхайма при Університеті Флориди:

«Ми хочемо створювати великі речі в космосі. Щоб створювати великі речі в космосі, потрібно почати виробляти речі в космосі. Це захопливий новий рубіж». 

Для проведення своїх досліджень університет отримав контракт від DARPA на суму 1.1 мільйона доларів. Хоча інші університети також досліджують можливості космічного виробництва, UF є єдиним, який зосереджується на лазерному формуванні для космічних застосувань.

Для цього Міллер та її студенти співпрацюють з Агентством передових оборонних дослідницьких проектів (DARPA) та Центром космічних польотів імені Маршалла NASA, який допомагає розвивати космічну програму Америки завдяки своїм ракетам-носіям, космічним системам, рушійним системам та апаратному забезпеченню, найсучаснішим інженерним технологіям, а також передовим науково-дослідним проектам.

Отже, вони разом працюють над проєктом під назвою NOM4D, що означає «Нове орбітальне та місячне виробництво, матеріали та масоефективний дизайн», метою якого є трансформація розвитку космічної інфраструктури. 

Для NOM4D одним із найбільших викликів є подолання обмежень розміру та ваги ракетного вантажу. Щоб вирішити ці проблеми, команда UF розробляє технологію лазерного формування, яка дозволяє згинати метали на потрібні форми шляхом надання на них точних візерунків.

Якщо все зробити правильно, це не потребує людського втручання, оскільки тепло від лазера скручує сам метал, що робить це вирішальним кроком до того, щоб орбітальне виробництво стало реальністю. За словами члена команди, Натана Фріппа, студента третього курсу докторантури, який вивчає матеріалознавство та інженерію:

«Завдяки цій технології ми можемо будувати споруди в космосі набагато ефективніше, ніж запускати їх повністю зібраними з Землі. Це відкриває широкий спектр нових можливостей для дослідження космосу, супутникових систем і навіть майбутніх середовищ існування».

Правильна зміна форми металу за потреби – це складний процес, тому складне лазерне гнуття, безумовно, є великим досягненням, але це лише частина рівняння.

Завдання, зазначив Міллер, полягає в тому, щоб переконатися, що властивості матеріалу або залишаються хорошими, або покращуються під час процесу. Зігнуті ділянки все ще повинні мати хороші властивості, а також бути жорсткими та міцними з належною гнучкістю.

Щоб оцінити матеріали, команда провела контрольовані випробування нержавіючої сталі, алюмінію та кераміки, щоб проаналізувати, як такі змінні, як тепло, гравітація та лазерне випромінювання, впливають на згинання та поведінку матеріалів.

«Ми проводимо багато контрольованих випробувань і збираємо детальні дані про те, як різні метали реагують на лазерну енергію: наскільки вони згинаються, наскільки вони нагріваються, як тепло впливає на них тощо. Ми також розробили моделі для прогнозування температури та ступеня згинання на основі властивостей матеріалу та вхідної лазерної енергії. Ми постійно навчаємося як на моделюванні, так і на експериментах, щоб поглибити наше розуміння процесу».

- Wei

За даними УФ прес-реліз, одна з оцінок включала тестування лазерного формування в умовах, подібних до космічних, що вимагало термовакуумної камери. Її надало NASA, що зробило співпрацю з Космічним центром імені Маршалла NASA критично важливою для значного підвищення рівня готовності технологій (TRL).

Це випробування проводилося під керівництвом Фріппа для спостереження за реакцією матеріалів на суворі космічні умови. Команда виявила, що кінцеві результати визначають низка факторів, включаючи властивості матеріалу, параметри лазера та атмосферні умови.

«У космосі такі умови, як екстремальні температури, мікрогравітація та вакуум, ще більше змінюють поведінку матеріалів. Як результат, адаптація наших методів формування для надійної та стабільної роботи в космосі додає ще один рівень складності».

– Фріпп

Дослідження в Університеті Флориди розпочалися ще у 2021 році та з того часу досягли значного прогресу. Але для того, щоб технологія була готова до використання в космосі, її потрібно далі розвивати. Наразі проєкт вступає у свій останній рік, а його завершення заплановано на літо 2026 року.

Хоча залишаються питання щодо різних аспектів проєкту, зокрема щодо збереження цілісності матеріалу під час процесу лазерного формування, команда налаштована оптимістично, оскільки з кожним моделюванням та лазерним випробуванням вона наближається до нової ери будівництва.

«Чудово бути частиною команди, яка розширює межі можливого у виробництві не лише на Землі, а й за її межами».

– Вей

Екологічно чисті будівельні блоки для позаземних середовищ існування

У пошуках позаземного будівництва вчені випробовують різні шляхи, зокрема використовуючи ресурси, доступні на інших планетах. 

Нещодавно вчені з Техаського університету A&M разом зі співробітниками з Університету Небраски-Лінкольна розробили живі матеріали, які перетворюють марсіанський пил на структури, що дозволяє автономне будівництво на червоній планеті. Такі інновації важливі для досягнення мети колонізації Марса.

Команда протягом кількох років досліджувала способи створення штучних живих матеріалів за допомогою біовиробництва, і нарешті вони створили синтетичну систему лишайників, яка може самостійно виробляти будівельні матеріали без участі людини.

За підтримки програми NASA Innovative Advanced Concepts, останні дослідження досліджували, як цю систему можна використовувати для будівництва споруд на Марсі з використанням реголіту. За словами доктора Конгруї Грейс Джин з Техаського університету A&M:

«Ми можемо створити синтетичну спільноту, імітуючи природні лишайники. Ми розробили спосіб створення синтетичних лишайників для біоматеріалів, які склеюють частинки марсіанського реголіту в структури. Потім, за допомогою 3D-друку, можна виготовити широкий спектр структур, таких як будівлі, будинки та меблі».

Існують інші стратегії зв'язування марсіанського реголіту, які вже досліджувалися іншими дослідниками. Ці методи включають методи на основі сірки, магнію та геополімерних сполук; однак, всі вони сильно залежать від людської праці, що робить їх непрактичними.

Самозростаючі мікробні системи – це ще один спосіб. Деякі з інновацій у цій галузі включають використання грибкового міцелію як природного сполучного речовини, уреолітичних бактерій для виробництва карбонату кальцію для формування цегли та бактеріальної біомінералізації для перетворення піску на тверду кладку.

Хоча ці методи є перспективними, вони не є повністю автономними, оскільки мікроби, що використовуються, обмежені одним видом і потребують постійного постачання поживних речовин для виживання, що робить необхідним зовнішнє втручання.

Тож команда звернулася до кількох видів для своєї повністю автономної технології самозростання.

Тут були використані гетеротрофні нитчасті гриби, оскільки вони сприяють утворенню великої кількості біомінералів і можуть виживати в суворих космічних умовах. Їх було поєднано з фотоавтотрофними діазотрофними ціанобактеріями для створення синтетичної лишайникової системи. Зараз команда працює над наступним кроком свого проєкту — створенням реголітових чорнил для 3D-друку біоструктур.

«Потенціал цієї технології самозростання для забезпечення довгострокових позаземних досліджень та колонізації є значним».

– Джин

Кілька місяців тому вчені з Технологічного інституту Джорджії також повідомили про розробку нового класу модульних, реконфігурованих та стійких будівельних блоків, які добре підходять як для наземних, так і для позаземних середовищ існування.

Ці одиниці, які називаються Еко-вокселями (екологічними вокселями), можуть зменшити вуглецевих слідів на цілих 40%, зберігаючи при цьому конструктивні характеристики, необхідні для крил літаків та несучих стін.

Ці 3D-еквіваленти пікселів виготовлені з політриметилентерефталату (PTT), частково біологічного полімеру, отриманого з кукурудзяного цукру та армованого переробленими вуглецевими волокнами з металобрухту, що втрачається під час виробництва аерокосмічних компонентів.

Ці еко-вокселі легкі, їх можна швидко зібрати та вони виготовлені з місцевих матеріалів, що робить їх ідеальними кандидатами для майбутніх місячних або марсіанських укриттів.

Місячні та марсіанські середовища існування: глобальний рух вперед

Захоплення дослідженням космосу явно призвело до прогресу в космічних технологіях. Коли справа доходить до створення середовищ існування на Місяці та Марсі, NASA активно бере участь, розуміючи проблеми та розробляючи необхідні системи.

Його програма Artemis є однією з основних розробок, метою якої є створення постійної бази на Місяці. NASA також співпрацює з техаською компанією ICON, що займається будівельними технологіями, над створенням космічної будівельної системи та інвестувала в їхній проект Olympus.

Основна увага в проекті зосереджена на роботизованому будівництві, метою якого є використання 3D-друкованих роботів, які зможуть створювати придатні для життя конструкції, складські приміщення та посадочні майданчики з використанням матеріалів з Місяця. Компанія навіть провела річний експеримент над своїм прототипом марсіанського середовища, надрукованим за допомогою 3D-друку.

Компанія також побудувала для NASA справжню конструкцію площею 3 квадратних футів, надруковану на 1,700D-принтері, за допомогою своєї будівельної системи Vulcan. Вона розроблена архітектурною фірмою BIG і імітуватиме середовище існування Марса для сприяння довгостроковим космічним місіям. 

NASA також досліджує можливість використання міцеліальних цеглин, виготовлених з грибів, для будівництва будинків на Марсі та Місяці.

Проєкт під назвою «Mycotecture Off Planet», очолюваний Лінн Ротшильд, старшим науковим співробітником Дослідницького центру Еймса NASA, отримав фінансування у розмірі 2 мільйонів доларів від програми NASA Innovative Advanced Concepts (NIAC), яка «прагне розвивати технології для транспортування наших астронавтів, розміщення наших дослідників та сприяння цінним дослідженням».

Концепція передбачає, що астронавти беруть із собою легкі структури, просочені сплячими грибами, та використовують невелику кількість води, щоб стимулювати ріст грибів. Міцелій – це ниткоподібні структури, що складають основну частину грибів, можуть набувати складних, міцних форм і їх можна безпечно зберігати, щоб уникнути будь-якого забруднення. Крім того, міцелій можна використовувати для фільтрації води та вилучення мінералів зі стічних вод.

Команда вже продемонструвала доцільність своєї концепції, створивши біокомпозити на основі грибів та протестувавши прототипи, зосередившись зараз на покращенні матеріальних властивостей їхніх грибкових середовищ існування, а потім тестуючи їх на низькій навколоземній орбіті.

У Європейському Союзі (ЄС) Європейське космічне агентство (ЄКА) досягло значних успіхів. Наприклад, у 2020 році компанія створила прототип заводу з виробництва кисню з імітованого місячного пилу. Через кілька років вона почала працювати над Prospect – роботизованим буром та мініатюрною лабораторією, яка оцінює потенційні ресурси на Місяці для їх видобутку в майбутньому. 

Щоб просувати свої космічні плани, ЄКА співпрацює з іншими агентствами, такими як американське НАСА, а також з багатьма приватними організаціями.

Датська проектно-будівельна фірма SAGA створила компактне навчальне середовище для Європейського космічного агентства (ЄКА). Ці середовища мають робочу зону, спільний простір та спальні капсули. Тим часом Інститут Аурелії розробляє модульні панелі, які після розгортання в космосі можуть утворювати більші конструкції, забезпечуючи комфортніші умови для астронавтів.

Окрім прототипів для видобутку ресурсів та середовища існування, ЄКА також вдосконалює технології критичного синхронізації. Воно створило Атомний годинник Ансамбль у космосі (ACES), який був запущений на орбіту з Флориди у квітні цього року. Він складається з двох з'єднаних атомних годинників, один з яких містить атоми водню, а інший — цезій, що дозволяє створювати єдиний набір годинників з вищою точністю, з точністю до однієї секунди за 300 мільйонів років.

Високоточний годинник забезпечить кращу навігацію, управління ресурсами та навіть гравітаційні вимірювання, підтримуючи сталу присутність людини за межами Землі.

Натисніть тут, щоб дізнатися, як може виглядати космічна економіка майбутнього.

Навіть сховище даних відправляється на Місяць

Цікаво, що компанії навіть досліджують можливість перенесення центрів обробки даних у космос. Раніше цього року флоридська компанія Lonestar Data Holdings розмістила свій пристрій розміром з коробку для взуття на борту посадкового модуля Athena (IM-2) компанії Intuitive Machines. 

Мета IM-2 — продемонструвати пошук ресурсів, мобільність на Місяці та аналіз речовин, щоб допомогти виявити джерела води з метою створення сталої інфраструктури на поверхні Місяця, а також у космосі.

Тим часом пристрій Lonestar Data Holdings на борту IM-2 переносив дані від Вінта Серфа, якого визнають одним із «батьків Інтернету», та уряду Флориди, серед інших.

Очікується, що розміщення сховищ даних на Місяці допоможе подолати проблеми, пов'язані з центрами обробки даних – галуззю, яка переживає швидкі темпи зростання через зростання попиту на штучний інтелект, машинне навчання та хмарні сервіси. Центри обробки даних відомі своїм високим енергоспоживанням, навантаженням на енергомережі та шумовим забрудненням, і все це може бути подолано величезним простором.

За словами Стіва Айзеля, президента та головного директора з доходів Lonestar, «Місяць може бути найбезпечнішим варіантом» для ваших даних. «Його важче зламати; набагато важче проникнути; він вищий за будь-які проблеми на Землі, від стихійних лих до відключень електроенергії та війни», – додав він.

Компанія має на меті запустити комерційний сервіс зберігання даних до 2027 року, використовуючи низку супутників, розміщених у L1, точці Лагранжа між Сонцем і Землею. Інші компанії, такі як Axiom Space та Starcloud, також планують власні кроки.

«Місячна економіка зростатиме, і протягом наступних п’яти років нам знадобиться цифрова інфраструктура на Місяці», а також «на Марсі та за його межами. Це буде великою частиною нашого майбутнього», – сказав Айзеле.

Інвестування в дослідження космосу та колонізацію

У сфері космосу, корпорація Northrop Grumman (NOC ) бере активну участь у програмах NASA Artemis, системах місячних форпостів Gateway, автономній робототехніці та дослідженнях у сфері виробництва в космосі. Він також працює над вдосконаленими силовими установками, великомасштабними розгортаними конструкціями та точним виробництвом.

Корпорація Northrop Grumman (NOC )

Ринкова капіталізація Northrop Grumman Corporation становить 72.57 мільярда доларів, а її акції зараз торгуються за ціною 506.62 долара, що на 7.44% більше, ніж за рік. Її прибуток на акцію (TTM) становить 25.36, а коефіцієнт P/E (TTM) – 19.88, а дивідендна дохідність – 1.83%.

У фінансовому плані компанія повідомила про обсяг продажів у 9.5 мільярда доларів та рекордний портфель замовлень у розмірі 92.8 мільярда доларів за перший квартал 1 року. Чистий прибуток склав 2025 мільйон доларів, або 481 долара на акцію. Майже 3.32 мільйонів доларів було повернуто акціонерам через дивіденди та викуп акцій.

Останні новини та події щодо акцій Northrop Grumman (NOC)

Висновок

У міру того, як ми продовжуємо просуватися вглиб космосу, стає все більш очевидним, що для створення постійної присутності нам знадобиться більше, ніж просто ракети. Це означає міцні конструкції, які зможуть витримувати суворі умови навколишнього середовища та вирішувати проблему дефіциту ресурсів.

Від лазерного формування металу на орбіті до біоінженерних матеріалів, автономних роботів та 3D-друку – ці досягнення прокладають шлях до сталого майбутнього поза Землею. У міру того, як дослідження тривають, ми наближаємося до створення постійної точки опори за межами нашої планети та побудови справді міжпланетної цивілізації.

Натисніть тут, щоб переглянути список найкращих акцій аерокосмічної галузі.

Примітка редактора (липень 2025 р.): Цю статтю було оновлено, щоб включити додаткове посилання на джерело та видалити речення, яке неправильно характеризувало прогрес дослідницької групи в розробці циклу зворотного зв'язку.

Список використаної літератури:

^{1. Картер, П. (2025, 25 червня). З класу до космосу: студенти прагнуть створювати великі речі в космосіНовини Університету Флориди. Отримано з https://news.ufl.edu/2025/06/manufacturing-in-space-with-lasers/}