Научные основы разработки лунного 3D принтера

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 22-22-00840

НазваниеНаучные основы разработки лунного 3D принтера

Руководитель Томилина Татьяна Михайловна, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт машиноведения им. А.А. Благонравова Российской академии наук , г Москва

Конкурс №64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-703 - Солнце и Солнечная система

Ключевые слова лунный реголит, 3D печать, лазерные технологии на Луне, механическая прочность

Код ГРНТИ81.01.00

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект «Научные основы разработки лунного 3D принтера» направлен на решение научной проблемы «Поиск и изучение оптимального способа сплавления лунного реголита с использованием SLS/M (Selective Laser Sintering/Melting) технологий». Несмотря на то, что сегодня аддитивные технологии быстро развиваются, и уже существует множество различных способов 3D печати из различных материалов, про использование аддитивных технологий в космосе и на Луне заговорили относительно недавно. Эта проблема была сформулирована в последние годы благодаря появлению интереса космических держав, включая Россию, к исследованию и освоению Луны. Этот интерес потребует создания на ней космической инфраструктуры и, в отдаленной перспективе, лунной базы. Использование лунного реголита для изготовления механических элементов лунной инфраструктуры позволит отказаться от доставки массивных грузов с Земли и тем самым существенно понизить затраты на лунную космонавтику. Идея создания обитаемых баз на Луне обсуждается несколько десятков лет и в последние годы создание такой базы представляется вполне осуществимым проектом в перспективе 15 – 20 лет. Уже в текущем десятилетии Россия, США и Китай планируют осуществить несколько крупных лунных проектов с целью изучения физических условий на лунных полюсах, в том числе в рамках пилотируемых экспедиций. Актуальность данного проекта вытекает из общей актуальности этой тематики для космических лунных исследований. Задача разработки технологии лунной 3D печати продиктована тем, что для построения лунной инфраструктуры необходимо доставить на Луну крупногабаритные элементы (энергетические установки, антенны для космической связи, средств размещения научной аппаратуры и пр.), а высокая стоимость доставки таких конструкций с Земли, требующая применения тяжелых ракетоносителей, усложняет практическое освоение Луны (доставка 1 кг груза на Луну стоит от 50-ти до 70 тыс.долл. за килограмм) В качестве решения этой проблемы во многих космических центрах было предложено создавать на основе аддитивных технологий строительные элементы (СЭ) из лунного реголита непосредственно на поверхности Луны, и затем собирать из них необходимые конструкции и сооружения. Авторы данного проекта обращают внимание на то, что при этом необходимо показать, что полученные элементы конструкций и детали инфраструктуры будут обладать необходимыми прочностными и термо-механическими свойствами для их практического применения с учетом возможного перепада температур в диапазоне от плюс 130° С днем до минус 180° С ночью а также статических нагрузок от размещенных на них объектах. В отдельных случаях также следует принимать во внимание динамические нагрузки от движущихся частей. Исследования по созданию отечественных технологий аддитивной печати СЭ из лунного реголита переходят в практическую плоскость. В конце текущего десятилетия планируется провести первый научный эксперимент «Лунный Принтер» на борту автоматической лунной станции «Луна-28» (см. ниже и файл 2, раздел 1). Актуальность заявленного проекта РНФ состоит в необходимости разработки научных основ и формулировании исходных требований для проведения указанного космического эксперимента. В проекте будут применяться имеющиеся в распоряжении российских ученых симулянты лунного реголита, которые обладают всеми основными свойствами реального лунного вещества, доставленного на Землю советскими «Лунами». В этом проекте будут определены базовые требования для СЭ, удовлетворяющие условиям создания механических конструкций на лунной поверхности, будут выяснены оптимальные свойства исходного порошка из симулянта реголита для 3D печати и будут экспериментально установлены оптимальные условия процесса печати на основе SLS/M (см.файл 2 с доп.информацией ,раздел 3). Экспериментальные исследования в проекте будут сопровождаться теоретическими оценками и численным моделированием. Научная новизна решения проблемы состоит в том, что в рамках научных задач данного проекта будет показано, что метод селективного лазерного сплавления позволяет изготовить из симулянта лунного грунта опытные образцы с необходимыми габаритными и прочностными характеристиками. При этом будет выяснено, как должен быть подготовлен исходный порошок для получения образцов с необходимыми прочностными и термо-механическими свойствами с учетом лунных условий. Лазерная 3D печать включает уже достаточно хорошо развитые технологии для изготовления деталей сложной формы (в основном металлических). В качестве исходного материала для печати используются специально приготовленные порошки, частицы которых имеют однородный химический состав, почти идеальную сферическую форму, и хорошо подобранный гранулометрический состав, но лунный реголит как природный материал сильно отличается по своим химическим, физико-механическим характеристикам от таких порошков. Для применения его в аддитивной печати следует подготовить исходный порошок с оптимальными свойствами по форме частиц и их гранулометрическому составу. Для работы с таким порошком следует подобрать оптимальные условия сплавления и выбрать лазерную аппаратуру, режимы которой обеспечивают эти условия. Эти вопросы пока недостаточно изучены в мировой науке и их намечено исследовать в данном проекте. В проекте будет проведено теоретическое и экспериментальное исследование процесса сплавления лунного реголита для создания научных основ для проведения первого отечественного космического эксперимента «Лунный принтер». В рамках проекта будет решено ТРИ ЗАДАЧИ (см. Схему в файле 2, раздел 1 дополнительной информации) ЗАДАЧА 1: Анализ и сопоставление требуемых свойств СЭ с ожидаемыми параметрами СЭ изготовленных их лунного реголита методом SLS/M: ЗАДАЧА 2: Изготовление двух серий опытных образцов СЭ из симулянта лунного реголита по технологии 3D печати на основе метода SLS/M: ЗАДАЧА 3: Анализ изготовленных опытных образцов и выработка рекомендаций для создания лабораторного прототипа Лунного принтера.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ким А.А., Лысенко А.М., Томилина Т.М. Testing SLM technology with simulants of lunar regolith: applications to Lunar Printer experiment The Thirteenth Moscow Solar System Symposium 13M-S3, стр 110 (год публикации - 2022)
10.21046/13MS3-2022

2. Томилина Т.М., Ким А.А., Лисов Д.И., Лысенко А.М ЭКСПЕРИМЕНТ «ЛУННЫЙ-ПРИНТЕР» ПО ЛАЗЕРНОМУ СПЛАВЛЕНИЮ ЛУННОГО РЕГОЛИТА В КОСМИЧЕСКОМ ПРОЕКТЕ «ЛУНА-ГРУНТ» Космические исследования (Cosmic Research), T. 61, № 4, стр. 311-321, - М. 2023 г. (год публикации - 2023)
10.31857/S0023420622600313

3. Ким А.А., Лысенко А.М., Томилина ПОЛУЧЕНИЕ ИЗДЕЛИЙ ИЗ ЛУННОГО РЕГОЛИТА С ПОМОЩЬЮ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ Научные труды 6-ой Международной научно-технической конференции "Живучесть и конструкционное материаловедение" (ЖИВКОМ–2022), Москва, с. 151-154 (год публикации - 2023)

4. Томилина Т.М., Ким А.А., Лысенко А.М. Laboratory testing for isru of lunar regolith by slm technology Abstract book of THE FOURTEENTH MOSCOW SOLAR SYSTEM SYMPOSIUM 14M-S3 – Space Research Institute of Russian Academy of Sciences. Moscow, Russia. October 9-13, 2023, p.122 (год публикации - 2023)
10.21046/14MS3-2023

5. Томилина Т.М., Ким А.А., Лисов Д.И., Лысенко А.М. ЛАБОРАТОРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО СПЛАВЛЕНИЯ ИМИТАТОРОВ ЛУННОГО РЕГОЛИТА С РАЗЛИЧНЫМИ ГРАНУЛОМЕТРИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ Космические исследования (Cosmic Research), T. 62 (год публикации - 2024)

6. Ким А.А., Лысенко А.М., Томилина Т.М. Изучение свойств образцов из имитатора лунного реголита, полученных методом селективного лазерного сплавления Космические исследования (Cosmic Research) (год публикации - 2024)

7. Томилина Т.М., Ким А.А., Лисов Д.И., Лысенко А.М. Porosity and compressive strength of test samples produced by SLM using rock gabbro-diabase based powder as a lunar regolith simulant Acta Astronautica (год публикации - 2024)

Публикации