Аддитивное производство, или 3D‑печать, станет критически важной технологией для поселений на других планетах. Она позволяет превращать простые материалы, например, пластиковый филамент или металлический порошок, в любые необходимые астронавтам инструменты. Сфера применения этой технологии очень широка — от изготовления кирпичей для построек до производства бытовых предметов вроде чашек или держателей для зубных щеток. В новой статье, опубликованной на сервере препринтов arXiv, исследователи из Университета Арканзаса изучили один из ключевых видов 3D‑печати. Они пришли к выводу, что использование атмосферы Марса для печати металлических деталей может сэкономить миллионы долларов на марсианских миссиях.
Исследователи сосредоточились на ключевом методе 3D‑печати металлом — селективном лазерном плавлении, с помощью которого изготавливают изделия из нержавеющей стали 316L. На Земле кислород в воздухе окисляет материал во время печати, делая изделие хрупким. Чтобы этого избежать, в 3D‑принтерах применяют защитный газ, изолирующий зону печати от воздуха. Обычно таким газом служит аргон — инертный и слабореакционный, но дорогой и отсутствующий на Марсе. Это значит, что для марсианских миссий аргон пришлось бы везти с Земли, что было бы затратно. Ученые предложили использовать в качестве защитного газа атмосферу Марса.
На первый взгляд идея использовать марсианскую атмосферу в качестве защитного газа при 3D‑печати кажется странной. Ведь атмосфера Марса в основном состоит из углекислого газа (CO₂), который содержит кислород, а задача защитного газа — как раз предотвратить окисление материала. Однако эксперименты, проведенные авторами исследования, показали, что CO₂ вполне пригоден для печати ряда некритичных металлических деталей (например, петель или дверных ручек). В опытах сравнивали три среды — аргон, CO₂ и обычный земной воздух — при печати методом селективного лазерного спекания. В результате аргон сохранил форму деталей на 98%, углекислый газ — на 85%, земной воздух — менее чем на 50% (такие детали оказались непригодны к использованию).
Почему CO₂ работает? При высоких температурах в зоне лазерного плавления углекислый газ диссоциирует, но парциальное давление кислорода в чистой среде CO₂ оказывается ниже, чем в земной атмосфере, богатой азотом. Поэтому кислород не так активно проникает в зону плавления и не вызывает сильного окислительного повреждения материала.
Исследователи проанализировали напечатанные детали и выяснили, что даже образцы, созданные в аргоновой среде, содержали кислород. В деталях, изготовленных в среде с повышенным содержанием кислорода, его концентрация оказалась в 1,6 раза выше, чем в аргоновых, но все же намного ниже, чем у образцов, напечатанных на открытом воздухе. При этом функциональные свойства деталей оставались удовлетворительными.
Практическое значение работы выходит за рамки космических миссий. Поскольку аргон — дорогостоящий газ, замена его на более дешевый CO₂ может существенно сократить расходы промышленных предприятий, занимающихся металлической 3D‑печатью. Правда, качество поверхности изделий при этом может ухудшиться, что способно повлиять на рыночную репутацию производителей. Зато для марсианских колонистов внешний вид деталей не имеет значения — главное, чтобы они исправно работали.
Ранее Наука Mail рассказывала о том, что для полетов на Марс создадут ядерно-тепловой ракетный двигатель.
