Графическая абстракция. Авторы и права: ACS Applied Materials & Interfaces (2023). DOI: 10.1021/acsami.3c09658
Исследования студентов и преподавателей Университета Западной Вирджинии о том, как 3D-печать работает в невесомости, направлены на поддержку долгосрочных исследований и проживания на космических кораблях, Луне или Марсе.
Расширенные миссии в космическом пространстве требуют производства важнейших материалов и оборудования на месте, а не транспортировки этих предметов с Земли. Члены группы исследования микрогравитации заявили, что, по их мнению, 3D-печать — способ добиться этого.
Недавние эксперименты команды были сосредоточены на том, как невесомая среда микрогравитации влияет на 3D-печать с использованием пены диоксида титана — материала, потенциальное применение которого варьируется от блокировки ультрафиолетового излучения до очистки воды. Компания ACS Applied Materials and Interfaces опубликовала свои выводы.
«Космический корабль не может нести бесконечные ресурсы, поэтому вам придется поддерживать и перерабатывать то, что у вас есть, и 3D-печать позволяет это сделать», — сказал ведущий автор Джейкоб Кордонье, аспирант в области машиностроения и аэрокосмической техники в WVU Колледже Бенджамина М. Статлера. Инженерное дело и минеральные ресурсы. «Вы можете печатать только то, что вам нужно, сокращая количество отходов. В нашем исследовании изучалось, может ли пена диоксида титана, напечатанная на 3D-принтере, защитить от ультрафиолетового излучения в космическом пространстве и очистить воду».
«Исследование также позволяет нам увидеть роль гравитации в том, как пена выходит из сопла 3D-принтера и распространяется на подложку. Мы видели различия в форме нити при печати в условиях микрогравитации по сравнению с земной гравитацией. И путем изменения дополнительных переменных В процессе печати, например, скорости письма и давления экструзии, мы можем нарисовать более четкое представление о том, как все эти параметры взаимодействуют, настраивая форму нити».
В число соавторов Кордонье входят нынешние и бывшие студенты бакалавриата Кайли Андерсон, Ронан Баттс, Росс О’Хара, Рене Гарно и Натанаэль Уимер. В работе над статьей также участвовали Джон Кульман, почетный профессор, и Константинос Сьеррос, доцент и заместитель заведующего исследованиями кафедры машиностроения и аэрокосмической техники.
Сьеррос руководил исследованиями пены диоксида титана в исследовательской группе по микрогравитации с 2016 года. Сейчас работа ведется в его лабораториях WVU, но первоначально требовалась поездка на Боинге 727. Там студенты печатали линии пены на предметных стеклах во время 20-секундных периодов невесомости, когда реактивный самолет находился на вершине параболической траектории полета.
«Перевозка даже килограмма материала в космос обходится дорого, а место для хранения ограничено, поэтому мы изучаем так называемое «использование ресурсов на месте», — сказал Сьеррос. «Мы знаем, что на Луне есть залежи минералов, очень похожих на диоксид титана, который используется для изготовления нашей пены, поэтому идея в том, что вам не нужно перевозить оборудование отсюда в космос, потому что мы можем добывать эти ресурсы на Луне и распечатывать оборудование. это необходимо для миссии».
Необходимое оборудование включает в себя щиты от ультрафиолета, представляющего угрозу для космонавтов, электронику и другие космические средства.
«На Земле наша атмосфера блокирует значительную часть ультрафиолетового света, хотя и не весь, поэтому мы и обгораем», — сказал Кордонье. «В космосе или на Луне нет ничего, что могло бы смягчить его, кроме вашего скафандра или любого другого покрытия на вашем космическом корабле или в среде обитания».
Чтобы измерить эффективность пены диоксида титана в блокировании УФ-волн, «мы будем излучать свет в диапазоне от ультрафиолетовых длин волн до видимого спектра света», объяснил он. «Мы измерили, сколько света проходит через напечатанную нами пленку из пенопласта диоксида титана, сколько отражается обратно и сколько поглощается образцом. Мы показали, что пленка блокирует почти весь ультрафиолетовый свет, попадающий на образец, и очень мало видимого света попадает на образец. Даже при толщине всего 200 микрон наш материал эффективно блокирует УФ-излучение».
Кордонье сказал, что пена также продемонстрировала фотокаталитические свойства, а это означает, что она может использовать свет для стимулирования химических реакций, которые могут выполнять такие функции, как очистка воздуха или воды.
Член команды Баттс, студент Уилинга, проводил эксперименты по тестированию угла контакта, чтобы проанализировать, как изменения температуры влияют на поверхностную энергию пены. Баттс назвал исследование «другим типом задач, с которыми студентам не всегда приходится сталкиваться», и сказал, что особенно ценит компонент вовлеченности.
«Наша команда проводит большую работу с молодыми студентами, такими как скауты, через Университет значков за заслуги в WVU. Мы можем показать им, что мы здесь делаем, чтобы сказать: «Эй, это то, что вы тоже могли бы сделать». », — сказал Баттс.
По словам Сьерроса: «Мы пытаемся интегрировать исследования в студенческую карьеру на раннем этапе. У нас есть студенческая подгруппа, которая занимается исключительно аппаратным обеспечением и производит 3D-принтеры. У нас есть студенты, которые занимаются разработкой материалов, автоматизацией и анализом данных. Студенты, которые выполняют эту работу при поддержке двух весьма конкурентоспособных грантов НАСА, участвуют во всем исследовательском процессе. Они опубликовали рецензируемые научные статьи и выступили на конференциях».
Гарно, студентка-исследователь из Винчестера, штат Вирджиния, сказала, что ее мечта — чтобы их 3D-принтер, специально разработанный как компактный и автоматизированный, совершил шестимесячное путешествие на Международную космическую станцию. Это позволило бы более тщательно контролировать процесс печати, чем это было возможно во время 20-секундного падения.
«Это был потрясающий опыт», — сказал Гарно. «Это был первый раз, когда я участвовал в исследовательском проекте, который не имел заранее определенных результатов, подобных тем, которые я получал на занятиях, основанных на исследованиях. Было действительно полезно анализировать данные и приходить к выводам, которые не были основаны на фиксированных ожиданиях. .
«Наш подход может помочь расширить исследование космоса, позволяя астронавтам использовать уже имеющиеся у них ресурсы без необходимости миссии по пополнению запасов».
Информация от: Университетом Западной Вирджинии.
