Преодолеть гравитацию: радиофизики ТГУ сделали образец первого в мире «левитационного» 3D-принтера

3D-принтеры в свое время произвели революцию, но до сих пор проблемой остается скорость печати (все очень медленно!) и невозможность делать на нем легкие пористые объекты. Радиофизики Томского госуниверситета предложили модель принтера, у которого этих недостатков нет. По принципу работы его можно назвать ультразвуковым или левитационным. Есть интересные «побочные» варианты использования технологии, например, для создания космического пылесоса, им уже заинтересовался «Роскосмос». Подробности – в специальном проекте Tomsk.ru и ТГУ «Технотренды».

Для начала разберемся с левитацией. Этим термином называется парение в пространстве без соприкосновения с твердой или жидкой опорой. Левитацией не считается полет, совершаемый за счет отталкивания от воздуха. Википедия  определяет ее как «преодоление гравитации».

Для левитации необходимо наличие некоего «подъемного механизма», компенсирующего  силу тяжести. Радиофизики ТГУ предложили использовать для этого ультразвуковые волны.    С помощью излучателей, разработанных на РФФ, создаются ультразвуковые поля, которые подхватывают частицу (со стороны смотрится, как будто она зависает в воздухе) и контролируемо ее перемещают.

Дмитрий Суханов, заведующий лабораторией электромагнитных методов контроля СФТИ ТГУ, профессор кафедры радиофизики РФФ ТГУ: 

«Эффект ультразвуковой левитации был ранее известен. Я подумал, что ему можно найти применение в 3Д печати, и подал заявку на грант. Исследования начали с проекта РНФ 2017 года, который так и назывался — «Разработка метода трёхмерной печати на основе ультразвукового управления микрочастицами»  №17-79-20051. Ранее мы занимались FDM 3Д печатью (методом послойного наложения), и всегда была проблема скорости печати: эта технология очень медленная, необходимо было что-то придумать для ускорения. Ещё мы занимались ранее методами управления волнового поля, фокусировка полей, фазированные решётки. Эти технологии применимы для управления ультразвуковыми полями в акустической левитации.»

«Парящие» частички пенопластовой крошки. Пока установка не может поднять частицы больше 0,5см в диаметре, но есть задел и на большие размеры.

Левитационный куб состоит из решеток с ультразвуковыми излучателями, работающими на частоте 40 килогерц. Между излучателями есть определенная разность фаз, за счет ее изменения создается движущая картина стоячих волн, которая и позволяет перемещать частицы в заданные области.

Дмитрий Суханов:

«Сейчас мы можем выстраивать плоскость из частиц и двигать ее вверх-вниз или вправо-влево. В процессе осаждения частицы (например, порошковые или из пластиковой стружки) оседают по заданным траекториям в определенном порядке и послойно спекаются, формируя объемную фигуру. Во-первых, это сильно ускорит сам процесс печати. Во-вторых, мы можем печатать легкие объемные предметы. Например, в рамках гранта РНФ мы проводили эксперименты и печатали пористые кубики. На обычном 3D-принтере такого не сделаешь. Сейчас мы выиграли еще один грант РНФ на совершенствование технологии, устранение термоакустических эффектов.  Кстати, похожими технологиями занимался «Боинг», но у него дальше концепта и анимации дело пока не пошло. Так что то, что мы сделали — это действительно научный прорыв.»

Кубик, напечатанный на ультразвуковом 3D-принтере. В перспективе трехмерную печать можно будет использовать для изготовления легких пористых материалов, например, утеплителей, тепло- и звукоизоляторов.

Так сложилось, что основные потребители инноваций в России — это оборонная и аэрокосмическая промышленность.

Дмитрий Суханов:

«В одну из встреч представители «Роскосмоса» озвучили проблему пыли на МКС. И мы предложили им сделать пылесос на основе нашей технологии левитирования частиц. Мы можем сфокусировать ультразвуковое излучение на заданное расстояние, захватывать  «невидимой рукой» частицы пыли из определенного места и транспортировать их к пылесосу. То есть у космонавтов не будет необходимости пробираться в каждый уголок, чтобы провести уборку.»

Также левитация может использоваться для проведения научных экспериментов на МКС. Сейчас готовится проект договора с РКК «Энергия».