От идеи — до космического завода

3D-печать от ТПУ — в помощь российским космонавтам

ЗА ПОСЛЕДНИЕ НЕСКОЛЬКО ЛЕТ СЛОВОСОЧЕТАНИЕ «КОСМИЧЕСКИЙ ПРИНТЕР» ИЗ ФАНТАСТИЧЕСКИХ КНИЖЕК ПРОЧНО ЗАКРЕПИЛОСЬ В ЛЕКСИКОНЕ УЧЕНЫХ И КОСМОНАВТОВ. НА СЕГОДНЯ ЭТО НЕ ПРОСТО ОБСУЖДЕНИЕ ИДЕЙ НА ПЛАНЕРКАХ, А РЕАЛЬНЫЙ НАУЧНЫЙ ПРОЕКТ, ПРЕТВОРЯЕМЫЙ В ЖИЗНЬ. РЕЧЬ ИДЕТ ОБ ИСПЫТАНИЯХ В УСЛОВИЯХ НЕВЕСОМОСТИ 3D-ПРИНТЕРА, РАЗРАБОТАННОГО УЧЕНЫМИ ТПУ И ИНСТИТУТА ФИЗИКИ ПРОЧНОСТИ И МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЯ СО РАН (ИФПМ). ЭТОТ ПРИНТЕР ПОЗВОЛИТ КОСМОНАВТАМ «НА МЕСТЕ», ТО ЕСТЬ НА ОРБИТЕ, ПЕЧАТАТЬ ДЕТАЛИ, НЕОБХОДИМЫЕ ИМ ДЛЯ РАБОТЫ. ПЕРВЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ИСПЫТАНИЮ ПРИНТЕРА В УСЛОВИЯХ НЕВЕСОМОСТИ ПЛАНИРУЕТСЯ ПРОВЕСТИ НА БОРТУ МЕЖДУНАРОДНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ (МКС) В КОНЦЕ 2018 ГОДА.

Объединив усилия

Об этапах создания «космического 3D-принтера» рассказывает Алексей Яковлев, директор Института физики высоких технологий ТПУ (ИФВТ): «С момента, как мы начали обсуждать эту идею, и до сегодняшнего дня прошло где-то два года. В 2014 году космонавт, дважды Герой Советского Союза Владимир Джанибеков знакомился с нашими разработками для космической отрасли. Гость отметил, что сейчас очень актуально развитие аддитивных технологий, конкретнее — технологий 3D-печати. Часто космонавтам в условиях изолированности от Земли нужно заменить какую-либо деталь или нужен специфический инструмент, а на ожидание необходимых деталей с Земли теряется много времени».

ИФВТ тогда уже плотно сотрудничал с ИФПМ и РКК «Энергия» в рамках 218-го постановления Правительства РФ в области создания высокопрочных материалов и как раз начал серьезно заниматься аддитивными технологиями. Все глубже знакомясь с задачами космической отрасли, ученые поняли, что эти технологии космонавтам просто необходимы.

Практически сразу стало ясно, что для реализации возникающих идей необходим свой центр, в котором можно проводить научные исследования, отрабатывать технологии по материалам, готовить специалистов, то есть обеспечить полный цикл производства. Во-первых, начали действовать санкции, и многие предприятия, работавшие на импортной технике, попали в зависимость от зарубежных поставщиков-производителей. А во-вторых, специалистов в области аддитивных технологий на производстве очень не хватало. Обычные конструкторы и машиностроители привыкли делать законченные детали с помощью механообработки по чертежам. А при использовании 3D-технологий печати проектировщик должен уметь «научно фантазировать». Так что на базе ТПУ при непосредственном участии ИФПМ СО РАН и РКК «Энергия» органично возник научно-образовательный центр «Современные производственные технологии». Он стал первой очередью открытия большого инжинирингового центра ТПУ по материалам и конструкциям. Позднее были открыты Центр перспективных исследований «Многоуровневое динамическое моделирование материалов и конструкций» и Научно-образовательный центр «Международный сетевой центр ресурсных испытаний материалов». Таким образом, вуз обеспечил полный цикл всего необходимого, чтобы новейшие материалы и изделия «пошли» в космос. Кроме того, в прошлом году на базе ИФВТ была организована стратегическая академическая единица «Космическое материаловедение», которую возглавил Евгений Колубаев. Все это позволило объединить усилия ученых, нацеленно работающих над конкретными задачами в этой сфере.

При этом, по словам Алексея Яковлева, тема, заданная Владимиром Джанибековым, постоянно была перед глазами: вот на Земле есть принтер, а каким он должен быть в космосе? Сначала рассматривали вариант лазерного принтера, но он оказался слишком мощным для той среды. В итоге ученые решили реализовать идею в пластике.

«Тем более технология позволяет создавать многоуровневое армирование пластика — наполнять полимерную матрицу различными материалами, в том числе нанотрубками, нановолокнами, все это на уровне микроармирования. Дальше идет второй уровень армирования в виде макроволокна: угленить и стекловолокно. Список разрешенных материалов для космоса не очень велик, и все это нам пришлось учитывать, — рассказывает Алексей Николаевич. — Плюс принтер должен быть замкнутого цикла, чтобы ничто лишнее не попадало в атмосферу станции. Отсутствие гравитации также требовало особого подхода к технологиям и к конструкции принтера». Обсуждения, пробы, эксперименты за неполные два года привели к созданию прототипа принтера, который сможет работать в невесомости.

«Мы ждем ваш принтер…»

Доставка одного килограмма груза на МКС стоит порядка $20 тыс. А транспортные корабли летают не часто, поэтому заказывать то, что нужно сегодня, приходится очень заблаговременно. Необходимость на станции возникает в разного рода крышечках, разъемах, инструментах. Они не только ломаются, но и теряются, «улетают» из-за работы вентиляторов для охлаждения аппаратуры и очищающих воздух систем.

То, что космонавты будут рады видеть на борту 3D-принтер, они подтвердили лично во время «Космических уроков», когда прямо с орбиты отвечали на вопросы школьников Томской области.

«У нас уже есть маленький кусочек Томска, — сказал космонавт Андрей Борисенко. — На станции находится спутник «Томск-ТПУ-120». Многие его детали были напечатаны на 3D-принтере, и мы с нетерпением ждем от томичей такой принтер. Он позволит выполнять ремонт оборудования прямо в космосе, не дожидаясь помощи с Земли, а это чрезвычайно важно».

Пока шел урок, прототип принтера тихонько жужжал под софитами и как раз изготавливал деталь по чертежам конструкторов Роскосмоса. «Это прообраз будущих космических заводов, которые на орбитальных станциях и других планетах будут обеспечивать людей всем, что необходимо для жизни и работы, для освоения дальнего космоса» — «нарисовал» будущее разработки ректор ТПУ Пётр Чубик. Комментируя презентацию, Алексей Яковлев добавляет: «То, что нужно будет миру завтра, необходимо развивать уже сегодня на уровне идей, которые на первый взгляд кажутся фантастическими. Но в будущем они станут реальностью. Об этом же говорил вице-премьер Дмитрий Рогозин, недавно побывавший в ТПУ с визитом: «Нам необходимы перспективные исследования, где ученые не боятся рисковать». Фантастические идеи двигают техническую и инженерную отрасль вперед».

Подготовил Сергей Мазуров