Роботизированная модульная 3D-печать зданий в экстремальных условиях — в сторону марсианских обитаемых модулей

Почему дизайн зданий важен на Земле и на Марсе

По мере того как изменение климата усиливает ураганы, волны жары и резкие похолодания, мы также задумываемся о поселениях на Луне и Марсе. В обоих случаях встает один и тот же вопрос: как строить убежища, которые сохраняют людей в безопасности и комфорте, не добавляя при этом в атмосферу новый углерод? В этой статье авторы решают эту задачу, связывая реальные гостиницы в самых суровых условиях Земли с передовой роботизированной 3D-печатью и проектами будущих марсианских жилищ.

Чему могут научить экстремальные отели

Исследователи начали с необычной «лаборатории»: 100 отелей, разбросанных по одним из самых суровых сред на Земле — от арктического льда до высоких гор, пустынь и влажных тропиков. Измеряя базовые характеристики, такие как площадь плана, высота здания и ровность или зубчатость контура, они обнаружили отчетливые климатические отпечатки. Отели в холодных зонах, как правило, компактны и плотно упакованы, что уменьшает оголенные поверхности и помогает сохранять тепло. В пустынях и тропиках — наоборот: более широкие, открытые формы и часто окружающие их затененные наружные пространства, которые способствуют вентиляции и отводу тепла. Анализ машинного обучения показал, что простые геометрические признаки — периметр, площадь поверхности и общий объем — сильно предсказывают количество углерода, затраченного на строительство и ремонт этих зданий. В общем, более простые и компактные формы расходуют меньше энергии и материалов, чем сложные декоративные решения.

Как модульное строительство и 3D-печать сокращают углерод

Далее исследование рассмотрело 631 проект гостиниц по всему миру, где использовалось модульное (префабрикованное) строительство — когда крупные элементы изготавливаются на фабрике и собираются на площадке — и сравнило их с похожими зданиями, возведенными традиционным способом. Внимание уделялось не повседневному энергопотреблению, а «встроенному углероду»: всем выбросам, связанным с производством, транспортировкой и установкой материалов, особенно при ремонте. Результаты показывают, что префабрикация почти всегда снижает суммарный углерод, и эффект может быть драматичным в удаленных или труднодоступных местах. Города в горах и на полюсах, расположенные на концах длинных сложных логистических цепочек, продемонстрировали одни из наибольших сбережений: заводские элементы уменьшают отходы, сокращают количество транспортных рейсов и упрощают сложные инженерные задачи.

Когда суровые условия усложняют картину

Картина становится более сложной, когда авторы учитывают степень экстремальности местной среды. Они создали «индекс экстремальности», объединяющий высоту над уровнем моря, колебания температур и влажность. В более мягких регионах префабрикация часто снижала выбросы, связанные с ремонтом, до четверти. В самых суровых зонах процентные преимущества сокращались и иногда даже становились слегка отрицательными. Дополнительное усиление конструкций, доставка на дальние расстояния и укрепленные компоненты могут снизить относительное преимущество. Однако важно, что абсолютная экономия углерода — измеренная в килограммах предотвращенных выбросов на кубический метр здания — оставалась положительной в большинстве случаев. Это означает, что даже там, где префабрикация не выглядит впечатляющей на процентных диаграммах, она по-прежнему удерживает значительные объемы углерода от попадания в атмосферу в реальном выражении.

Рост строительных роботов и марсианские обитаемые модули

Чтобы понять направление отрасли, исследователи каталогизировали 56 компаний, разрабатывающих строительных роботов, особенно 3D-принтеры, которые «рисуют» здания слоями. Эти фирмы сосредоточены в Европе, Китае и Северной Америке, подпитываемые венчурным капиталом и быстрым технологическим прогрессом. Параллельно команда проанализировала 517 научных работ по марсианским жилищам. Большая часть исследований посвящена методам 3D-печати укрытий с использованием местного марсианского грунта и других доступных на месте ресурсов, чтобы избежать доставки тяжелых материалов с Земли. В качестве перспективных материалов выделяются сульфурсодержащие бетоны, полимерные смолы и композиты на основе базальтового волокна. Однако существенно меньше работ связывают эти строительные методы с системами жизнеобеспечения, радиационной защитой или повседневными потребностями людей внутри. Иными словами, мы учимся быстро строить прочные оболочки на Марсе быстрее, чем придумываем, как сделать их действительно пригодными для жизни.

Что это значит для будущих домов на Земле и на Марсе

Для неспециалиста главный вывод в том, что форма зданий и способ их сборки важны так же, как и источник энергии. Компактные, адаптированные к климату решения в сочетании с модульной сборкой и роботизированной 3D-печатью могут существенно снизить скрытые углеродные издержки строительства, особенно в отдаленных и труднодоступных районах. Тот же набор инструментов — разумная геометрия, фабричные модули и роботы на площадке — однажды позволит печатать прочные укрытия прямо из марсианского грунта. Но чтобы превратить эти укрытия в настоящие дома, инженерам нужно теснее сотрудничать с биологами, медиками и специалистами по поведению человека. Только объединив низкоуглеродные методы строительства с здоровыми, ориентированными на человека интерьерами, мы сможем создать постройки, которые будут одновременно экологичными и комфортными для людей — будь то полярная пустошь на Земле или красная равнина Марса.

Цитирование: Cai, G., Sun, L., Xu, H. et al. Robotic prefab 3D printing buildings in extreme environments toward Martian habitats. npj Space Explor. 2, 11 (2026). https://doi.org/10.1038/s44453-025-00025-6

Ключевые слова: модульное строительство, 3D-печать зданий, встроенный углерод, марсианские обитаемые модули, робототехника в строительстве