Článok z kategórie Inšpiratívni Slováci ti prinášame spolu s Nadáciou Tatra banky.

Ľudstvo sa na cesty do vesmíru pripravuje, čoho dôkazom sú čoraz lepšie riešenia a zariadenia určené špeciálne na tieto účely, no napriek tomu je budúcnosť človeka na inej planéte veľmi neistá. Stále existuje množstvo nezodpovedaných otázok a nevyriešených problémov. Študenti z STU ale pripravili vlastné riešenie v podobe 3D tlačiarne na kolesách, ktorá je postavená, aby čelila najťažším výzvam.

Mnohé vesmírne spoločnosti sa snažia v dobývaní vesmíru napredovať rýchlym tempom a medzi najviditeľnejšie agentúry sveta patrí okrem NASA aj SpaceX pod vedením Elona Muska či Blue Origin v rukách Jeffa Bezosa. Pripraviť sa však na život na inej planéte je nesmierne náročný proces, ktorý vyžaduje dlhodobé plánovanie a pripravenosť na rôzne situácie. Jednou z nich môže byť v budúcnosti aj vybudovanie základne napríklad na Marse. Akým spôsobom však budú obývateľné priestory postavené iba z dostupných zdrojov? Odpoveďou na túto otázku má byť vesmírna 3D tlačiareň, ktorú vytvorila skupina študentov zo Slovenskej technickej univerzity v Bratislave.

Zobraziť celú galériu (13)

Práve táto technológia „je veľmi užitočná pre schopnosť vytvárať štruktúry z materiálov priamo na mieste budúcich kolónií“, píše sa v abstrakte projektu. Na prácach a jeho vývoji sa pritom podieľali študenti Matej Pavelka, Ľubomír Maťuga, Oliver Hollý, Ladislav Kašša, Milan Gallo, Bence Nagy a Peter Hubínsky. Aký je potenciál takéhoto zariadenia a čo môže predstavovať pre budúcnosť dobývania vesmíru? Ako dlho trval jeho vývoj a koľko stál? To a ešte viac skutočne zaujímavých informácií o vesmírnej 3D tlačiarni sa dozvieš v našom rozhovore.

Lety do vesmíru a osídlenie novej planéty sa stali v posledných rokoch cieľom hneď niekoľkých vesmírnych spoločností, ktoré vyvíjajú stále modernejšie technológie, aby tento cieľ dosiahli. Mohli by ste nám a našim čitateľom priblížiť, kde študujete, ako ste sa dostali k myšlienke 3D tlače vo vesmíre a čím vás projekt motivuje?

Väčšina z nás sú študenti na Fakulte Elektrotechniky a Informatiky STU v Bratislave, náš tím však zahŕňal aj viacerých študentov Strojníckej Fakulty STU. Nápad vznikol ako pokračovanie série prednášok na vesmírnu tematiku, ktoré sa realizovali z iniciatívy Európskej vesmírnej agentúry a vyučujúcich na našej fakulte.

Zobraziť celú galériu (13)

Pri veľkom brainstormingu sme si spísali množstvo nápadov a jedným z nich bola práve 3D tlač a autonómne pojazdné vozidlo (rover). Pri hlasovaní za najlepší nápad sme sa rozhodli tieto dve idey skombinovať a vytvoriť 3D tlačiareň na kolesách. Primárnou motiváciou bolo jednoznačne nadšenie pre technológie, príležitosť vzdelávať sa a možnosť spolupracovať na riešení netradičných problémov.

Významné technologické pokroky sú neraz späté aj s mnohými problémami, ktoré je potrebné vyriešiť. Aké najväčšie prekážky bolo potrebné spočiatku pri 3D vesmírnej tlači prekonať, aby sa mohlo toto zariadenie vyvíjať správnym smerom?

Najväčšie problémy priniesli podmienky, pre ktoré má byť zariadenie určené. Autonómne riadiace systémy sú tematikou dlhodobého výskumu zahŕňajúcou mnohé výzvy. Primárne ide o obmedzenia pri návrhu samotnej konštrukcie a jednotlivých mechanických prvkov. S nimi úzko súvisia aj obmedzenia v systémových zdrojoch, ako je pamäť či energia. Bolo preto potrebné v prvotných krokoch určiť, do akej hĺbky budeme zohľadňovať všetky faktory spojené s reálnym konštruovaním zariadení tohto typu.

Zobraziť celú galériu (13)

Konštruktéri sa účelovo vyhýbali používaniu pneumatických a hydraulických prvkov, ktoré sú vo vesmírnom odvetví často problematické. Prvým veľkým problémom sa ukázali byť samotné kolesá vozidla, keď sme museli navrhnúť a na objednávku vyrobiť nový prototyp. Rovnako veľa ďalších konštrukčných častí sme si museli vyvinúť sami. Spomenúť treba najmä podvozok a systém diferenciálneho prevodu s funkcionalitou regulácie náklonu tela rovera. Problematiku používania špeciálnych kozmických materiálov sme z pochopiteľných dôvodov nemohli riešiť a pri návrhu sme použili nám dostupné materiály.

Financovanie takéhoto projektu rozhodne nie je jednoduché. Rovnako tak je vývoj systémov pre vesmírnu 3D tlač určite aj časovo náročný. Ako dlho vám trval vývoj riadiaceho systému? Spolupracovali ste aj s ďalšími odborníkmi? Koľko takýto systém stojí?

Celý vývoj bol financovaný z grantov a z našich vlastných zdrojov. V najväčšej miere je projekt financovaný prostredníctvom grantového programu E-talent od Nadácie Tatra banky, od ktorej sme dostali podporu už druhýkrát. Vývoj riadiaceho softvéru bol inkrementálny proces, ktorý bol úzko spätý s vylepšovaním rovera a pridávaním elektroniky.

Zobraziť celú galériu (13)

Celkovo na ňom pracujeme už dva roky a vývoj naďalej pokračuje. Spolupracovali sme s pedagógmi, ktorí nám pomohli vo viacerých oblastiach ich expertízy, no v konečnom dôsledku nás hlavne správne nasmerovali alebo odkazovali na relevantnú literatúru. Celú prácu sme však museli odrobiť sami. Náklady na všetok materiál sa momentálne pohybujú okolo 13 000 € s tým, že v tom nie je zahrnutý náš čas a práca.

Technológia 3D tlače má dnes naozaj široké využitie a možnosti, ktorými môže pomôcť aj pri náročných problémoch vo viacerých odboroch. Ako by ste charakterizovali 3D systém tlače, na ktorom pracujete a čo je jeho hlavnou devízou?

Naše riešenie je úzko špecificky zamerané na už spomenuté neobvyklé podmienky. Stavebný materiál a elektrická energia sú mimo Zeme veľmi drahá a obmedzená komodita, preto sme sa rozhodli zamerať sa na zdroje, ktoré sú, napríklad na Mesiaci, voľne dostupné. Sú nimi pôda (regolit) a slnečná energia.

Zobraziť celú galériu (13)

3D tlač prebieha pomocou Fresnelovej šošovky, ktorá nahrádza v bežných tlačiarňach nahrievacie teleso. Sústredením tejto energie do jedného bodu sa dosahuje teplota dostatočná na roztavenie piesku alebo mesačného regolitu, ktoré sú obdobou taveného materiálu v komerčnej tlačiarni. Takto dokážeme „ekonomicky” vytvárať štruktúry iba s naším zariadením, ktoré si vďaka solárnym panelom dobíja batérie.

Tento systém 3D tlače vo vesmíre má mať všetky stupne voľnosti, zatiaľ čo konvenčné 3D tlačiarne, ktoré verejnosť môže poznať napríklad vďaka tlačeniu objektov z plastových filamentov, majú zväčša 3 stupne voľnosti, a to posuvný pohyb v osiach x, y a z. Aké výhody prinášajú všetky stupne voľnosti pohybu tohto mechanizmu v porovnaní s klasickými 3D tlačiarňami?

V našom prípade ide o špecifický prípad 3D tlačenia, pri ktorom je nutné vykonávať zložité pohyby s Fresnelovou šošovkou. Viac stupňov voľnosti v tomto prípade umožňuje nasmerovať ohnisko Fresnelovej šošovky priamo do bodu, v ktorom sa nachádza materiál na zapekanie.

Zobraziť celú galériu (13)

Rotačné stupne voľnosti zabezpečujú nasmerovanie šošovky kolmo na slnečné žiarenie, náklon rovera okolo priečnej osi zabezpečuje zaostrenie ohniska a translačné pohyby šošovky umožňujú zapekanie celej nanesenej vrstvy materiálu.

Napájací zdroj vo vesmíre je jednou zo základných otázok, ktoré je potrebné vyriešiť pre úspešné fungovanie celého projektu. V tomto prípade je zdrojom solárna energia. Akým spôsobom však mechanizmus sústreďuje slnečnú energiu? Je vybavený aj záložným zdrojom napájaným solárnou energiou pre prípad potreby? Akú spotrebu energie má takéto zariadenie v praxi?

Energia získaná z fotovoltaických panelov sa uchováva vo vysokokapacitných batériách, ktoré zabezpečujú plynulý chod rovera aj počas neprítomnosti slnečného žiarenia. Spotreba energie sa počas pohybu rovera pohybuje medzi 10 až 25 W. Keď je rover v pokoji a prebieha 3D tlačenie, spotreba energie je výrazne nižšia a dokáže sa pokryť priamo solárnymi panelmi.

Ďalšou zásadnou otázkou pre úspešnú 3D tlač vo vesmíre je prísun materiálov, z ktorých by bolo možné vytvárať požadované objekty. Váš projekt však využíva úplne iný zdroj materiálov. Vedeli by ste nám priblížiť, z čoho táto vesmírna 3D tlačiareň čerpá materiál a akým spôsobom ho dokáže upraviť pre potreby tlače?

Na tlač sa využíva voľne dostupný sypký materiál na povrchu danej planéty či vesmírneho telesa. Aditívny proces nanášania materiálu, ktorý je ešte v štádiu vývoja, principiálne využíva mechanický manipulátor. Ten by mal byť v konečnej fáze svojho vývoja schopný vykonať naberanie a následné nanášanie stavebného materiálu do priestoru spekania po tenkých vrstvách.

Zobraziť celú galériu (13)

Takto vrstvená štruktúra sa postupne vytvaruje do konečného produktu. Zdokonalenie takéhoto systému rovnomerného autonómneho nanášania materiálu do spekacieho procesu však stále vidíme ako veľkú technologickú výzvu.

Roztopiť materiál na pevnom povrchu planéty si vyžaduje špeciálne technológie, ktoré by dokázali spracovať aj pevné zložky okolia. Dokáže si tento mechanizmus poradiť aj s extrémne tvrdými a odolnými horninami? Ako prebieha proces tavenia a za aký čas zvládne tlačiareň z roztaveného materiálu vytlačiť objekty?

Podmienkou efektívneho využitia zariadenia sú vhodné vlastnosti tavného materiálu. Malé artefakty sa môžu odstrániť cez systém určitej filtrácie pomocou mechanického manipulátora, no prostredie s rozmernými horninami nie je vhodné na aplikáciu zariadenia tohto typu. Počas vývoja sme premýšľali nad pridaním vrtáku, no kvôli časovej a finančnej náročnosti projektu sme tento plán odložili na neskôr. Druhým hlavným faktorom pri dosiahnutí efektívneho topenia materiálu je veľkosť použitej Fresnelovej šošovky.

Zobraziť celú galériu (13)

Pri konštrukcii s použitím väčšieho rozmeru šošovky je možné dosiahnuť vyššie tavné teploty a tým roztopiť aj tvrdšie, resp. odolnejšie materiály. Samotné tavenie prebieha vo vrstvách na základe inštrukcií vygenerovaných z 3D modelu. Keďže intenzita svetla nie je regulovateľná bez zmeny efektívnej plochy, zapekanie prebieha pomalým pohybom. Pri presune medzi tlačením sa rýchlosť pohybu šošovky zvýši, aby nemala dostatočný čas na roztavenie nechceného materiálu.

V roku 2017 získala Slovenská technická univerzita grant Tatra banky práve na projekt Autonómny systém na 3D tlač vo vesmíre vo výške 5 000 €, ktorý bol použitý na nákup konštrukčných materiálov. O aké materiály išlo?

Od roku 2017 sme od Nadácie Tatra banky dostali už druhý grant v plnej hodnote. Z prvého sa väčšina spotrebovala na konštrukčný materiál vrátane jeho opracovania, ale aj na iné, drahšie mechanické prvky ako ložiská či elektromotory. Financovali sa tiež aj objednávky na elektroniku – senzory, ovládače motorov, výkonovú elektroniku, dosky plošných spojov a ďalšie súčiastky.i

Dôležitou súčasťou takéhoto projektu je aj samotné riadenie celého autonómneho systému 3D tlače. Priblížili by ste nám, ako tento riadiaci systém pracuje a čo všetko sa stará o správne fungovanie mechanizmov a elektroniky?

Riadenie sa realizuje softvérom na priemyselnom mikropočítači STM32 s taktovacou frekvenciou 180 MHz. Ten cez niekoľko hardvérových komunikačných protokolov ovláda všetky časti rovera. Komunikácia je zabezpečená rádiovým prenosom s dosahom do 1 km. Vývoj na takomto zariadení bez operačného softvéru je diametrálne odlišný od vývoja, napríklad, na stolovom počítači.

Zobraziť celú galériu (13)

Implementované sú rôzne bezpečnostné prvky, ako napríklad monitorovanie stavov batérií, vizuálna odometria na meranie posunu kolies, špeciálne vyvinutý protokol na vzdialenú komunikáciu, autonómne rozhodovanie a navigácia, ale aj paralelizácia zdĺhavých alebo časovo závislých procesov.

Aplikácia robotických zariadení vo vesmíre si vyžaduje aj iné technické riešenia ako na Zemi. Váš projekt je momentálne prispôsobený na experimenty na zemskom povrchu. Existuje však v budúcnosti možnosť, že sa raz skutočne ocitne aj vo vesmíre, napríklad na ISS alebo dokonca povrchu Marsu? Aké zmeny v konštrukcii, materiáloch a riadení by boli v takomto prípade potrebné?

Projekt bol od začiatku určený na edukačné účely s mottom „navrhujte to, ako keby to do vesmíru naozaj išlo”. Nám dostupné technológie a finančné možnosti neumožňujú komerčnú aplikáciu, skôr ide o prototyp a poukázanie na niektoré princípy fungovania. Treba si uvedomiť, že technológie a zariadenia používané v kozmickom priemysle patria medzi tie najpokrokovejšie, najmodernejšie a, samozrejme, najdrahšie.

Zobraziť celú galériu (13)

Aplikovať nami vytvorený koncept do reálneho prevedenia si vyžaduje dlhé roky vývoja a testovania v rôznych technických a technologických odvetviach. Svetoví lídri v oblasti navrhovania kozmických mobilných systémov musia riešiť náročné technické problémy. Sú to napríklad otázky použitia vhodných materiálov, elektroniky či  bezpečnosti a spoľahlivosti dôležitých systémov.

Ak by ste mali nazrieť pár rokov do budúcnosti, aké budú podľa vás možnosti pre vesmírne lety? Dočkáme sa aj takýchto autonómnych systémov a 3D tlačiarní pripravených vybudovať z dostupných materiálov na cudzej planéte s pevným povrchom novú základňu pre astronautov, alebo je to na najbližšie roky či desaťročia iba akési „sci-fi“?

V posledných rokoch sme mali možnosť sledovať obrovskú aktivitu práve v tomto odvetví. Americká NASA, SpaceX a Blue Origin vyvíjajú rakety a pristávacie moduly určené práve pre lety k našim najbližším vesmírnym susedom, táto možnosť je teda rozhodne na obzore. Masová kolonizácia týchto telies je však ešte niekoľko desaťročí ďaleko. Pokusy o vytvorenie infraštruktúry a výskum v týchto podmienkach sú plánované v najbližších rokoch (misia Artemis – NASA).

Zobraziť celú galériu (13)

Bohužiaľ, z povahy raketového priemyslu môže jedna fatálna chyba odsunúť tieto programy aj na niekoľko rokov. V prípade 3D tlače vo vesmíre sa už deje aktívny výskum vedený aj Európskou vesmírnou agentúrou, a práve to, že sa raz dočkáme vozidiel alebo výrobných liniek, ktoré tlačia prístrešky, hangáre, habitačné zóny či dokonca mechanické súčiastky vo vesmíre, rozhodne možné je.

Článok vám priniesla Nadácia Tatra banky.