Когда астронавты программы Artemis и будущие исследователи отправятся на Луну и Марс, им понадобится энергия. Много энергии. Конечно, они будут использовать солнечные батареи для получения электричества, необходимого для обитания, экспериментов, роверов и всего остального. Но для хранения энергии нужны аккумуляторные батареи. Эти штуки весят много и обойдутся в целое состояние, если отправлять их с Земли. Так почему бы просто не напечатать их на принтере прямо на Луне?
Именно на этот вопрос пытается ответить группа исследователей из Техасского университета в Эль-Пасо (UTEP) и Университета штата Янгстаун (YSU). Они объединились с несколькими центрами НАСА в рамках проекта стоимостью 2,5 миллиона долларов, чтобы изучить идею 3D-печати батарей с использованием местных материалов.
«UTEP является важным партнером в этом проекте под руководством NASA благодаря нашему давнему и богатому наследию в области аддитивных технологий», — сказал Эрик Макдональд, профессор аэрокосмической и механической инженерии и помощник декана Инженерного колледжа UTEP. «Репутация UTEP в области 3D-печати, материаловедения и наше современное оборудование были важными факторами, убедившими наших партнеров из NASA продолжить это потенциально революционное исследование как для космических полетов, так и для эксплуатации батарей на поверхности планет».
Эта работа — большой шаг к адаптации процесса 3D-печати для использования в космосе. Другой целью является возможность печатать батареи практически любой необходимой формы. Тогда их можно будет встраивать в стены исследовательской базы или внутрь другого оборудования для экономии места. И если все получится, то в конечном итоге астронавты смогут печатать жилые модули, генераторы энергии и другие объекты прямо на месте.
Какой вид 3D-печати использовать в космосе?
В рамках проекта рассматриваются два типа методов 3D-печати. Один из них называется «экструзия материала», когда формы выдавливаются из принтера в окончательном виде. Другой — «фотополимеризация в чане» (VPP). Основным материалом является чан с жидкой фотополимерной смолой. Затем машина использует эту смолу для построения объекта слой за слоем. VPP позволит жителям Луны изготавливать батареи любой формы, чтобы они могли помещаться везде, где это необходимо — небольшие космические аппараты, роботы, портативные блоки питания и крупные долговременные энергетические системы.
Изготовление батарей из местного реголита накладывает интересное ограничение на то, какие типы батарей могут быть напечатаны. В настоящее время на Международной космической станции основные системы энергоснабжения полагаются на литий-ионные накопители энергии, доставленные с Земли. К сожалению, если люди собираются производить блоки хранения энергии на Луне или Марсе, они не смогут использовать ионы лития. Это потому, что на Луне и Марсе очень мало лития, который можно добыть. Что же они будут использовать?
Команды НАСА и университетов рассматривают натриево-ионную технологию. И на Луне, и на Марсе есть достаточное количество доступного натрия. Поэтому исследовательская группа UTEP будет изучать химию натриево-ионных батарей и возможные решения для печати. После этого они проведут испытания.
Технологии лунных и марсианских батарей
NASA, UTEP и YSU также будут работать над извлечением материалов для батарей и прекурсоров для этих натриево-ионных батарей из лунного и марсианского реголита. Университетские команды уже разработали и использовали 3D-печать VPP для изготовления исходных материалов из композитной смолы для каждой части предлагаемых устройств хранения энергии. Технически это включает электроды, электролиты и токоприемники. Команда из центра NASA Marshall Ames разработала и изготовила композитные чернила для различных компонентов аккумуляторов. UTEP и Исследовательский центр НАСА имени Гленна проведут электрохимические испытания готовых 3D-печатных компонентов натриево-ионных батарей.
«Этот проект с НАСА дает возможность продемонстрировать опыт UTEP в области хранения энергии и 3D-печати», — сказал Алексис Морель, сотрудник кафедры аэрокосмической и механической инженерии UTEP. «Аддитивное производство представляется уникальным подходом к производству батарей необходимой формы для обеспечения энергией наших экспедиций в космосе и на поверхности Луны или Марса, где пополнение запасов не очень доступно».
Читайте также: Какие странные загадки хранит Луна