מהו מבנה שמודפס בתלת-ממד?

ייתכן ששמעתם על הדפסה בתלת ממד – דרך חדשה לייצר דברים שאנו משתמשים בהם ביומיום. הדפסה בתלת-ממד יכולה לשמש ליצירת צעצועים, מזון, איברים אנושיים ועוד! מדפסות תלת-ממד מזריקות החוצה שכבות של חומר כמו למשל פלסטיק, מתכת, או עץ, כדי ליצור אובייקט תלת-ממדי. האם ידעתם שהדפסה בתלת-ממד משמשת גם לבניית בתים, משרדים, ובניינים אחרים? השיטה של בנייה באמצעות הדפסה בתלת-ממד הומצאה בשנת 1998, אך התפתחה מאוד בחמש השנים האחרונות. בנייה באמצעות הדפסת תלת-ממד מזריקה חומרי בניין כמו בטון כדי ליצור קירות; רכיבים כמו למשל קורות ועמודים, ואפילו בניינים שלמים. אין גבול לסוגים ולצורות של מבנים שאפשר ליצור באמצעות הדפסה בתלת-ממד (איור 1).

ישנם מדענים שמעוניינים לבסס מושבות ומבנים קבועים בחלל, למקרה שהמשאבים על פני כדור הארץ ייגמרו. מבנים שעשויים להיות שימושיים בחלל כוללים מקלטים, האנגרים של מעבורות, כבישים, משטחי נחיתה והמראה וקירות שמגינים מפני פיצוצים [1]. ככל שבני אדם ישהו זמן רב יותר בחלל, עשויים להידרש מבנים מורכבים יותר לרבות מעבדות מחקר, מחסנים, חממות ומבנים ארוכי-טווח אחרים.

להדפסה בתלת-ממד בחלל יש שני יתרונות משמעותיים בהשוואה לבנייה מסורתית. ראשית, ניתן להדפיס בניינים באמצעות חומרים שנמצאים בחלל, כמו אבנים מרוסקות ואבק. שנית, הדפסה בתלת-ממד מצריכה מספר קטן של עובדים, אם בכלל. משמעות הדבר היא שמושבות יכולות להיות מוכנות לכניסתם של אסטרונאוטים אפילו לפני הגעתם לחלל.

חומרים בחלל: אבן ירח ועוד

מעבורות חלל ורקטות חלל מכילות מקום מוגבל למטען, ואינן משוגרות לעיתים קרובות, לכן שליחת אספקה לחלל היא יקרה. למעשה, העלות של שליחת אספקה למאדים מגיעה עד מיליון דולר לקילוגרם אחד [2]! מסיבה זו, בנייה באמצעות חומרים מהחלל יכולה לחסוך מיליארדי דולרים. שלושה חומרים שכיחים בחלל הם רגוֹליט, בזלת וגופרית (איור 2). מדענים עובדים על פיתוח טכנולוגיה שתוכל לאסוף את החומרים האלה, ולעבדם לצורכי בנייה.

רגוליט היא שכבה של אבן מרוסקת ואבק, שמיוצרת על פני השטח של הירח אחרי מאות שנים של פגיעות מיקרו-מטאוריטים. היא החומר הפשוט והשכיח ביותר שמשמש בבנייה באמצעות הדפסת תלת-ממד בחלל. בזלת היא אבן געשית, כלומר נוצרה במהלך זרימה של לָבָה. היא מרכיבה כ-26% מפני השטח של הצד הקרוב של הירח. בזלת עמידה בפני קרינת השמש, ויכולה לשמש לבניית מבנים שמופעל עליהם לחץ. גופרית היא חומר שכיח על מאדים. לעיתים היא משמשת בבטון כדי לסייע לרכיבים אחרים להידבק טוב יחד.

ישנם הרבה חומרי בנייה פוטנציאליים בחלל. אולם, חומרי חיזוק כמו למשל פלדה, אינם שכיחים בחלל. על כדור הארץ, פלדה מספקת לבניינים כוח נוסף שמסייע להם לעמוד בפני כוחות מתיחה. בלי פלדה, מבני בטון עלולים להיסדק ולהישבר. במטרה להפחית את הצורך בפלדה, אפשר לעצב בניינים כך שיתבססו על דחיסה [3]. דחיסה היא ההפך ממתיחה. היא מתרחשת כאשר בטון מועמס במשקל ונדחס (נלחץ על ידי המטען). שתי דוגמאות לעיצובים מבוססי דחיסה הן קשתות וכיפות.

איור 3 מראה כיצד קורת בטון מחוזקת יכולה לחוות גם דחיסה וגם מתיחה. קורות הן חלק בסיסי בבניינים רבים, והן תומכות במשקל, כמו רצפות, גגות ואנשים. מאחר שכוח הכבידה של הירח חלש ב-83% מכוח הכבידה של כדור הארץ, מבנים בחלל חשופים לכוחות מתיחה ודחיסה פחותים יותר. זה מאפשר למהנדסים להדפיס מבנים קלים ודקים יותר, ולהשתמש בפחות חומרים [3].

בנייה באמצעות מדפסות, לטובת בני האדם

הדפסה בתלת-ממד יכולה לשמש לבנייה מראש של מושבות על הירח ועל מאדים, אפילו לפני הגעתם של בני אדם לשם, באופן שמסייע להגן על אסטרונאוטים בהגיעם לחלל. לדוגמה, בניינים מגינים על אסטרונאוטים מפני קרינת שמש ופסולת חלל. מבנים דחוסים יכולים לשמש לאסטרונאוטים מקום לחיות ולעבוד בו, בלי להזדקק לחליפות החלל שלהם.

שלא כמו פועלים אנושיים, מדפסות אינן זקוקות לאוויר, למים, או למזון – זה חוסך כסף ומקל על בנייה בחלל. מדפסות אף לא צריכות לעצור כדי לנוח, ולכן הדפסה בתלת-ממד יכולה להסתיים מהר יותר מבנייה רגילה. בהשוואה לבני אדם, מדפסות הן גם יותר אמינות ועקביות. כאשר הן מתוכנתות כראוי, מדפסות מפחיתות טעויות, מגבירות בטיחות ומשפרות את איכות הבנייה. המשמעות היא פחות זמן וכסף שמבוזבזים על תיקון דברים שלא בוצעו כהלכה בפעם הראשונה.

הדפסה בתלת-ממד – אתגרים ופתרונות

בשנת 2015, נאס''א הזמינה קבוצות מכל רחבי העולם לתחרות של הדפסה בתלת-ממד. התחרות נקראה ''אתגר סביבת המחיה בהדפסת תלת-ממד'' (3D-Printed Habitat Challenge), והיא חילקה פרסים בשווי 2.5 מיליון דולר. התחרות כללה שלושה שלבים: ראשית, כל קבוצה הגישה את תכנון סביבת המחיה. לאחר מכן, הקבוצות פיתחו חומרים להדפיס איתם בהתבסס על מה שזמין בחלל. לבסוף, הקבוצות הדפיסו בתלת-ממד את עיצוביהן באמצעות החומרים שלהן. מטרת התחרות הייתה לשפר את האופן שבו נאס''א תבנה מבנים בחלל. חלק מהרעיונות היו מוצלחים יותר מאחרים, אך כל אחד מהרעיונות סייע לנאס''א להבין מה עשוי לעבוד או לא לעבוד בחלל. לדוגמה, עיצובים של כיפה ובועה נראים מבטיחים. קבוצות הצליחו במשימתן באמצעות שימוש בחומרים מהחלל ובאשפה ממוחזרת בתערובות ההדפסה שלהן. אתגר גדול שנאס''א תצטרך להתמודד איתו בעתיד הוא סקילביליוּת (עלייה בסדר הגודל), או היכולת ליצור מבנים בגודל מלא. מהנדסים יודעים כי עיצובים שפועלים טוב במודלים לא תמיד פועלים טוב באותה מידה כשהם נבנים בגודל מלא. נאס''א וחברות כמו ''מֵייד אִין סְפֵּייס'' (Made in Space) עובדות על שיפור הסקילביליוּת של בנייה בהדפסת תלת-ממד.

גישה אפשרית אחרת להדפסה בתלת-ממד בחלל היא שיטה שנקראת הדפסת קווי-מתאר. שיטה זו ראשית מזריקה חומר בשכבות. לאחר מכן, היא משתמשת בכלי פיזור שמוטמעים בתוכה – מָרִיוֹת – כדי לעצב את השכבות למשטחים חלקים. תהליך ההשטחה מאפשר ליצור מבנים באיכות גימור גבוהה יותר. הדפסת קווי-מתאר תפסה את תשומת ליבה של נאס''א בשל שלוש סיבות עיקריות: ראשית, היא אחת משיטות ההדפסה בתלת-ממד המבוססות והאמינות ביותר על כדור הארץ; שנית, היא יכולה לשמש להדפסת המבנים הנדרשים בבטחה ובצורה זולה; שלישית, הדפסת קווי-מתאר פועלת עם חומרים שיש בחלל, כמו רגוליט.

אחד מצוותי המחקר רוצה לשלב הדפסה בתלת-ממד עם מערכת רובוטית שנקראת ''חוקר חוצני כל-משטחי בעל שש גפיים'' (ATHLETE [4] – ראשי תיבות של ''All-Terrain Hex-Limbed Extra-Terrestrial Explorer''). המערכת היא ''כל-משטחית'' מאחר שהיא יכולה להתקדם על פני משטחים שאינם חלקים של הירח ושל כוכבי לכת; ''בעלת שש גפיים'' – כלומר יש לה שש זרועות. זרועות אלה מאפשרות למערכת להשתמש בכמה כלים כדי לנווט ולבנות רכיבים. משמעות המונח ''חוצני'' היא שהמערכת מעוצבת במטרה להיות בשימוש בחלל. היא קולטת אנרגיה מהשמש ומשתמשת בה בתור מקור לאנרגיה מתחדשת. לפיכך היא לא צריכה להיות מחוברת לחשמל, ולא נדרש לספק לה דלק כדי שתפעל.

מסתכלים קדימה

הדפסה בתלת-ממד בחלל עומדת בפני אתגרים ייחודיים. קשה להדפיס בסביבה עם כוח כבידה חלש [1]. המדפסות צריכות להכיל חלקי חילוף מֻבְנִים בתוכן למקרה שרכיבים מסוימים יתקלקלו. אם מתרחשות תקלות, המדפסות נדרשות להיות קלות לתיקון. המדפסות צריכות להיות עמידות מספיק כדי שתוכלנה לעבוד בטמפרטורות קיצוניות, בסופות אבק וברעידות אדמה [1]. לבסוף, אם המדפסות בלתי מאוישות, צריך לאפשר שליטה עליהן מכדור הארץ. משמעות הדבר היא שהן צריכות להיות מסוגלות לפעול ולתקשר על פני מרחקים גדולים, ללא עיכובים [3].

נכון להיום, בנייה באמצעות הדפסה בתלת-ממד נמצאת בשלב שנקרא ''הוכחת היתכנות וולידציה'' [1]. משמעות הדבר היא שמדענים עדיין מנסים ללמוד מה הדפסת תלת-ממד יכולה לעשות, ואם היא תעבוד בחלל. ליצירת קווים מנחים להמשך פיתוח של הדפסה מסוג זה, הוצבו כמה מטרות לעתיד: עד לשנת 2040, מדענים רוצים להתחיל להשתמש בבנייה באמצעות הדפסה בתלת-ממד כדי לבנות מושבות בחלל. עד לשנת 2065, מדענים מקווים שהדפסה בתלת-ממד בחלל תהיה מסוגלת לתמוך במושבות לטווח ארוך. לבסוף, מדענים מאמינים שעד לשנת 2115, בנייה באמצעות הדפסה בתלת-ממד בחלל תהיה בלתי תלויה לחלוטין בבני אדם ובמשאבים של כדור הארץ! [5].

בינתיים, פיתוח שיטות אמינות להדפסת תלת-ממד בחלל מסייע לשפר הדפסה כזו על כדור הארץ. לדוגמה, בניית מקלטים בחלל מלמדת אותנו על דרכים טובות יותר לבנות בתים איכותיים וזולים, כאן עבורנו. על ידי מציאת דרכים לאסוף חומרים בחלל, אנו יכולים לשפר את האופן שבו אנו אוספים משאבים על כדור הארץ, בצורה שתומכת בבנייה זולה, מהירה ואיכותית יותר על כדור הארץ ובחלל כאחד. במילים פשוטות, בנייה באמצעות הדפסה בתלת-ממד היא מחוץ לעולם הזה!

מילון מונחים

רגוליט (Regolith): ↑ האבן המרוסקת והאבק שמיוצרים על פני השטח של הירח אחרי מאות שנים של פגיעות מיקרו-מטאוריטים.

בזלת (Basalt): ↑ אבן געשית שנמצאת בשפע בחלק הקרוב של הירח, עמידה בפני קרינת השמש.

גופרית (Sulfur): ↑ חומר שכיח במאדים, משמש לסייע לרכיבים של תערובת בטון להידבק יחד.

כוח מתיחה (Tension): ↑ הכוח המופעל על הקורה כשהיא מתארכת.

דחיסה (Compression): ↑ מצב של קורה כשהיא לחוצה ודחוסה תחת מטען.

הדפסה בתלת-ממד (3D-Printing): ↑ תהליך של ייצור פריטים ומבנים, או בנייתם, באמצעות הדפסתם בשכבות עוקבות.

הדפסת קווי-מתאר (Contour Crafting): ↑ שיטה של הדפסה בתלת-ממד שבה החומר מוזרק בשכבות, ואז נמרח החוצה על ידי מָרִיוֹת רובוטיות.

הסתייגות

הדעות שמוצגות במאמר הזה הן של הכותבים, ואינן משקפות את המדיניות או העמדה הרשמיים של חיל האוויר האמריקאי, משרד ההגנה האמריקאי, או ממשלת ארצות הברית.

הצהרת ניגוד אינטרסים

המחברים מצהירים כי המחקר נערך בהעדר כל קשר מסחרי או פיננסי שיכול להתפרש כניגוד אינטרסים פוטנציאלי.