چاپ سه‌بعدی در فضا و ساخت خانه و ابزار در ماه و مریخ

چاپ سه بعدی در فضا

چاپ سه بعدی در فضا به‌عنوان یک فناوری پیشرفته، امکان تولید قطعات و ابزارهای پیچیده را در محیط بی‌وزن و محدودیت منابع ایستگاه‌های فضایی فراهم می‌کند. این فناوری با استفاده از دستگاه های سازگار با شرایط میکروگرانش، مواد اولیه را لایه‌لایه انباشته کرده و ساختارهای دقیق فلزی، پلاستیکی و حتی کامپوزیتی را تولید می‌کند. از مهم‌ترین مزایای چاپ سه بعدی در فضا می‌توان به کاهش نیاز به ارسال مداوم قطعات از زمین، افزایش خودکفایی فضانوردان و تسهیل تعمیرات فوری تجهیزات اشاره کرد. مواد مورد استفاده در چاپ سه بعدی فضایی شامل ترموپلاستیک‌های مقاوم در برابر اشعه، فلزات سبک مانند آلومینیوم و تیتانیوم و پلیمرهای مخصوص محیط خلا است که هر کدام ویژگی‌های مکانیکی و حرارتی ویژه خود را دارند.

چاپ سه‌بعدی در ماه و مریخ

چاپ سه‌بعدی در ماه و مریخ به پیشگامان فضایی کمک خواهد کرد تا خانه، ابزار و دیگر ملزومات سکونت را بسازند.

در طول تاریخ، زمانی‌که پیشگامان عازم سرزمین‌های ناشناخته می‌شدند، فقط ضروریات را با خود می‌بردند: ابزار، بذر و لباس. سایر نیازها را باید از محیط جدید تأمین می‌کردند. آن‌ها پناهگاه‌هایی از چوب، سنگ و خاک محل ساختند؛ برای غذا جست‌وجو کردند و زمین را برای کشاورزی آماده نمودند؛ و ابزارها را از هر چیزی که در اختیار داشتند، ساختند. این کار دشوار بود، اما در نهایت، کسانی که موفق شدند، همه چیز را برای بقا خودشان ساختند.

در آینده نیز، انسان‌ها هنگام ترک زمین و سفر به ماه یا مریخ، با چالش‌هایی مشابه، اما بسیار بزرگ‌تر، روبه‌رو خواهند بود. فضانوردان نه‌تنها با منابع محدود به این سفر خواهند رفت و باید از منابع همان‌جا استفاده کنند، بلکه حتی امکان تنفس هوای آن محیط‌ها را نیز نخواهند داشت. اما به‌جای تبر و گاوآهن، پیشگامان فضایی امروزی چاپگرها را با خود خواهند برد. به‌عنوان یک مهندس و استاد دانشگاه که در حال توسعه فناوری‌هایی برای گسترش حضور انسان در ورای زمین هستم، تمرکز کار من بر روی همین ماشین‌های فوق‌العاده است.

چاپ سه‌بعدی در ماه و مریخ قادر است ابزارها، سازه‌ها و پناهگاه‌هایی را تولید کند که برای بقا در محیط‌های بیگانه و خشن ضروری‌اند. این فناوری، حضور بلندمدت انسان در فضا را ممکن می‌سازد.

 چاپ سه‌بعدی در ماه از ابزار ساده تا اقامتگاه‌های فضایی

در زمین، فناوری ساخت افزایشی می‌تواند هزاران نوع شیء را به‌صورت لایه‌به‌لایه تولید کند؛ از مفصل ران مصنوعی گرفته تا آچار و حتی خانه. این دستگاه‌ها مواد خامی مانند پلاستیک، فلز یا بتن را روی مسیرهای برنامه‌ریزی‌شده رایانه‌ای قرار داده و قطعه موردنظر را می‌سازند. این روش اغلب «تولید افزایشی» نامیده می‌شود، زیرا مواد به‌تدریج به یکدیگر افزوده می‌شوند، برخلاف روش‌های سنتی که با حذف ماده، قطعه شکل می‌گیرد.

چاپ سه‌بعدی در فضا هم‌اکنون آغاز شده است. در ایستگاه فضایی بین‌المللی، فضانوردان از چاپگرهای سه‌بعدی برای ساخت ابزارها و قطعات یدکی استفاده می‌کنند؛ مانند آچار جغجغه، گیره و بست. بسته به نوع قطعه، چاپ آن می‌تواند از 30 دقیقه تا چند ساعت طول بکشد.

در حال حاضر، بیشتر مواد اولیه چاپ از زمین ارسال می‌شوند. اما ناسا از سال 2019 با نصب چاپگر پیشرفته‌ای به نام Refabricator شروع به بازیافت برخی از این مواد، مانند پلاستیک‌های زائد، کرده است تا قطعات جدید تولید کند. این گام، مسیر استفاده گسترده‌تر از چاپ سه‌بعدی در ماه و مریخ را هموار می‌سازد

چرا چاپ سه‌بعدی در ماه و مریخ جایگزین انتقال تجهیزات می‌شود؟

ممکن است این سؤال پیش بیاید: چرا فضانوردان همه‌چیز را همراه خود نمی‌برند؟ همان‌طور که ایستگاه فضایی بین‌المللی در دهه‌های گذشته با انتقال قطعات پیش‌ساخته از زمین ساخته شد. اما این روش برای ساخت اقامتگاه در دیگر سیارات عملی نیست.

ارسال مواد به فضا هزینه‌ی بسیار بالایی دارد. در حال حاضر، برای رساندن هر یک پوند بار به مدار پایین زمین، هزاران دلار هزینه می‌شود. برای رساندن همان مقدار به ماه، برآورد ناسا رقمی حدود 500 هزار دلار برای هر پوند است.

از طرفی، ساخت‌وساز در فضا چالش‌هایی نیز دارد. در ریزگرانش فضا یا گرانش کمِ ماه و مریخ، رفتار مواد با زمین متفاوت است. کاهش یا حذف گرانش، باعث می‌شود که مواد به‌گونه‌ای متفاوت سرد و تبلور یابند. ماه حدود یک‌ششم گرانش زمین را دارد؛ مریخ حدود دوپنجم. مهندسان و دانشمندان اکنون در تلاش‌اند تا چاپگرهای سه‌بعدی در ماه و مریخ را با این شرایط سازگار کنند.

 استفاده از خاک سیاره‌ای در چاپ سه‌بعدی در ماه 

در جهان‌های بیگانه، به‌جای پلاستیک یا فلز، چاپگرها از منابع طبیعی همان محیط استفاده خواهند کرد. اما یافتن مواد اولیه مناسب کار ساده‌ای نیست. اقامتگاه‌ها در ماه و مریخ باید از فضانوردان در برابر نبود هوا، دمای شدید، برخورد شهاب‌واره‌ها و پرتوهای کیهانی محافظت کنند.

رگولیت، ذرات ریز و غبارمانند که سطح ماه و مریخ را می‌پوشانند، می‌تواند ماده اولیه مناسبی برای ساخت این پناهگاه‌ها باشد. رگولیت را می‌توان به‌عنوان «خاک بیگانه» در نظر گرفت – برخلاف خاک زمین، مواد مغذی بسیار کمی دارد و تا جایی که می‌دانیم، هیچ موجود زنده‌ای در آن وجود ندارد. اما شاید بتوان از آن برای چاپ سه‌بعدی در ماه و مریخ استفاده کرد.

پژوهشگران اکنون تکنیک‌هایی برای تبدیل رگولیت به ماده قابل چاپ توسعه می‌دهند و امیدوارند در آینده نزدیک این فناوری در سطح ماه آزمایش شود.

 فناوری‌های چاپ سه‌بعدی در ماه و مریخ و کاربرد آن‌ها روی زمین

برنامه MMPACT ناسا (فناوری ساخت خودکار سیاره‌ای از ماه تا مریخ) در حال پیشبرد فناوری‌های لازم برای ساخت این اقامتگاه‌ها در سیارات دیگر است.

از جمله روش‌هایی که اکنون مورد بررسی قرار گرفته‌اند:

• بتن مبتنی بر رگولیت که بخشی از آن از یخ سطحی تأمین می‌شود؛

• ذوب رگولیت با دمای بالا و استفاده از قالب برای شکل‌دهی در حالت مایع؛

• سینترینگ یا ذوب سطحی ذرات رگولیت با نور متمرکز خورشید، لیزر یا مایکروویو بدون نیاز به چسب.

در همین راستا، نمونه‌هایی مانند MarsCrete به‌عنوان بتن مریخی تولید شده‌اند و حتی سازه‌های آزمایشی کوچک با چاپ سه‌بعدی در مریخ شبیه‌سازی شده‌اند. این فناوری‌ها نشان دادند که امکان ساخت اقامتگاه‌های پایدار با منابع محلی وجود دارد.

اما دستاوردهای چاپ سه‌بعدی در ماه و مریخ تنها محدود به فضا نیستند. درست همان‌طور که فضانوردان محصولات پایداری از منابع محلی تولید می‌کنند، سازندگان مسکن روی زمین نیز می‌توانند بتن را از مواد بومی یا ضایعات ساخت‌وساز بازیافتی تولید کنند. در واقع، خانه‌های ساخته‌شده با چاپ سه‌بعدی هم‌اکنون در بازار زمین هم عرضه می‌شوند.

 آینده سکونت انسان با چاپ سه‌بعدی در ماه و مریخ

برنامه‌ریزی برای حضور دائمی انسان در خارج از زمین ادامه دارد. مأموریت Artemis III ناسا که در سال 2027 پرتاب خواهد شد، نخستین فرود انسانی بر ماه از سال 1972 خواهد بود. سفر به مریخ نیز ممکن است در اوایل سال 2035 انجام شود.

اما مهم نیست انسان‌ها کجا و چه زمانی به مقصد برسند، بدون تردید چاپ سه‌بعدی در ماه و مریخ یکی از ابزارهای اصلی برای بقا و توسعه سکونت انسان در جهان‌های بیگانه خواهد بود.