Projekt Slovákov môže uľahčiť kolonizáciu Marsu už o pár rokov

Spolu s Nadáciou Tatra banky ti prinášame ďalší inšpiratívny rozhovor, v ktorom sme vyspovedali študentov STU ktorých projekt 3D tlače vo vesmíre môže uľahčiť kolonizáciu Marsu.

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.

zdroj: STU BA

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.

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.

zdroj: STU BA

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.

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.

zdroj: STU BA

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.

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

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.

zdroj: STU BA

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.  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.

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.

zdroj: STU BA

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.

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.

Článok vám priniesla Nadácia Tatra banky.
V spolupráci s Tatra bankou