Трехмерная стройка. Как человечество обеспечит всю Землю комфортным жильем, покорит космос и построит дома на Марсе?

Напечатать готовый дом за 24 часа или менее чем за месяц возвести устойчивые к метеоритам здания на Луне. А может, и на Марсе? Это не сюжет фантастического фильма, а возможности, которые дает строительная 3D-печать. Развитие этой технологии сделает жилье доступным, повысит производительность труда, сократит выбросы в атмосферу, решит вопросы создания комфортной среды не только на Земле, но и далеко за пределами нашей планеты. О горизонтах, которые открывает человечеству 3D-печать в строительстве, «Лента.ру» рассказывает в рамках проекта «КиберРеальность».

Зеленые технологии

В 2021 году в пригороде Эйндховена на юге Нидерландов развернулся необычный проект. С виду это простая стройка с огороженной территорией, рабочими на участке и спецтехникой. Но на объекте нет бытовок и штабелей стройматериалов, вместо них сюда привозят сразу готовые конструкции, которые выстраиваются в цельное здание. Это первый в Европе жилой дом, которые полностью сделан на 3D-принтере.

Печать всего дома площадью 94 квадратных метра заняла пять суток. При этом стоит он вдвое дешевле аналогичного жилья, построенного «классическим» методом. Здание выполнено в форме валуна, такую форму было бы сложно и крайне дорого повторить без трехмерной печати. Жильцы дома рассказывают, что он получился комфортным и безопасным.

Сейчас таких проектов несколько десятков, а пригодными для жилья признают лишь единицы. Но в будущем это изменится: современные технологии преобразят строительную индустрию до неузнаваемости.

Строительство — одна из самых медлительных сфер для внедрения передовых технологий. Пока в мире появляются сверхумные роботы, беспилотные автомобили и мощные суперкомпьютеры, дома строят так же, как 100 лет назад. И проблема не только в том, что это трудозатратный и долгий процесс. После него еще и остается много отходов, загрязняющих окружающую среду.

Но сегодня строительство находится на пороге революции, которую запустила 3D-печать. Трехмерный принтер позволяет всего за сутки создать квартиру-студию площадью 32 квадратных метра. И это стало возможным благодаря двум россиянам. Несколько лет назад инвестиционный директор «Сколково» Вячеслав Солоницын и сооснователь инжиниринговой компании DI Group Дмитрий Стародубцев создали стартап Mighty Buildings и придумали новый материал. По прочности он сравним с бетоном, но больше подходит для печати.

Технология Mighty Buildings вдвое ускоряет строительство новых домов. Напечатанные здания стоят от 115 до 285 тысяч долларов и пользуются большим спросом в США. Особенно в Калифорнии, где у Mighty Buildings около 3,5 миллиона потенциальных покупателей. Стартап заинтересовал инвесторов и привлек инвестиций более чем на 100 миллионов долларов.

В ближайшие годы мы планируем закрыть десять процентов потребности Калифорнии в одно- и двухэтажном жилье. Десять процентов — это огромная цифра, если мы отталкиваемся от всего рынка в 3,5 миллиона

Егор Яковлев
специалист по материалам из Mighty Buildings

До 2023 года компания планирует начать строительство малоэтажных жилых домов, а после — создать сеть небольших заводов для массового возведения зданий в регионах с дефицитом жилья.

Но главное, 3D-печать может решить ключевую проблему строительства — снизить негативное влияние на экологию. Беда современных строек в том, что от них остается огромное количество мусора: бетонные плиты, обломки железа, упаковка, остатки от стройматериалов... И это не говоря о загрязнении воздуха из-за бетонной пыли и выбросов углекислого газа, которыми сопровождается любой строительный процесс. 3D-печать решает обе эти проблемы.

«С одной стороны, строительная 3D-печать уже сейчас — практически безотходное производство, а с другой — она открывает возможности для снижения выбросов углекислого газа. В том числе за счет использования новых материалов», — поясняет заместитель директора НИИ строительных материалов и технологий МГСУ, кандидат технических наук Алексей Адамцевич.

В 2020 году суммарная выручка мирового рынка строительства, использующего 3D-печать, превысила семь миллионов долларов. И это только начало: уже в 2028 году эксперты предсказывают рост до миллиарда долларов.

Родом из России

Непосвященным людям может казаться фантастикой, что всего за сутки можно распечатать на принтере целый дом. Строительная 3D-печать — сфера новая, однако ее основы были заложены еще 25 лет назад. В 1996 году ее идеолог Берок Хошневис, профессор из Университета Южной Калифорнии, назвал технологию контурным строительством: роботизированная система без участия человека выкладывает стены и заполняет их бетоном. По сути, он предлагал создать гигантского робота с закрепленным на раме соплом, через которое подается бетонная смесь. Так, за несколько дней, слой за слоем, и предлагал печать дом Хошневис.

Участия людей в строительном процессе не требовалось, им только нужно было установить рельсы вдоль контура будущего дома и довериться машине. Ну и разве что в конце поставить окна и двери в заготовленные проемы. Сам Хошневис описывал свой проект скромно: «Это практически ставшая уже обычной 3D-печать, только в масштабе здания».

На полноценную реализацию своей концепции ученый потратил почти 20 лет. Первый строительный 3D-принтер Хошневис разработал в 2012 году, а первый дом по проекту изобретателя распечатали в 2018 году.

Однако самый первый напечатанный дом появился в Китае. Еще в 2014 году компания WinSun Decoration Design Engineering возвела с помощью 3D-принтера десять домов в промышленном парке провинции Цзянсу. Все они были построены за 24 часа, а их стоимость составляла всего 3 тысячи фунтов стерлингов (по нынешнему курсу — около 300 тысяч рублей).

Китай и Япония занимают около 40 процентов рынка печати домов и остаются лидерами сегмента 3D-строительства

Чаще всего в трехмерной печати домов используется бетон, но у него уже есть альтернативы: материалы на основе серы, известняка, золы, крупнозернистого заполнителя, медного шлака, глины и не только.

«Для каждого материала существует своя технология печати. Одни из лучших перспектив сейчас у 3D-печати бетоном 3D Concrete Printing (3DCP) методом послойной экструзии (непрерывного выдавливания материала — прим. «Ленты.ру»). Эта технология хорошо себя зарекомендовала», — поясняет Адамцевич.

Технология не только используется в России, но и во многом имеет российские корни, добавляет специалист. Россияне даже установили в этой сфере свой рекорд.

Первый в мире объект, напечатанный бетоном непосредственно на строительной площадке в США, создан нашим соотечественником Андреем Руденко

Алексей Адамцевич
заместитель директора НИИ строительных материалов и технологий МГСУ

«Самое большое в мире здание в эмирате Дубай (более 600 квадратных метров — прим. «Ленты.ру»), возведенное в 2019 году по технологии 3DCP и внесенное в книгу рекордов Гиннесса, напечатал стартап родом из Иркутска Apis Cor; а первые в мире серийные строительные 3D-принтеры начала продавать по всему миру ярославская компания "AMT-Спецавиа". Да и пилотные объекты на территории России тоже появились, пожалуй, первыми в Европе — еще в 2016-2017 годах», — замечает Адамцевич.

Владелец компании Apis Cor, построившей самое большое здание мира, — Никита Чен-Юн-Тай. В 27 лет он основал стартап, который сегодня является одним из известнейших мировых производителей строительных 3D-принтеров.

Чтобы продемонстрировать мощности своего принтера стоимостью 150 тысяч долларов, зимой 2017 года Чен-Юн-Тай построил в подмосковном Ступино жилой дом площадью 38 квадратных метров. Стены для здания были напечатаны за 24 часа. Себестоимость квадратного метра жилья составила 16 тысяч рублей без отделки, что дешевле аналогичных предложений, построенных классическим способом. По заявлению производителя, возведенные Apis Cor здания прослужат до 175 лет.

Будущее рядом

Может показаться, что россияне производят дома по 3D-технологии только на экспорт, но это не так. Скоро в России появится целая деревня из 12 жилых домов, распечатанных на принтере. Строительством необычного поселка занимается компании «АМТ-Спецавиа» родом из Ярославля. К трехмерной печати компания пришла не сразу.

Первоначально «АМТ-Спецавиа» специализировалась на автоматизированных станках по различным материалам, но в 2012 году присмотрелась к развивающемуся рынку 3D-печати, а уже спустя три года впервые в России запустила серийное производство строительных принтеров. У ярославцев их два типа: S-300 — для печати зданий до трех этажей и S-500 — для многоэтажных зданий.

Дом площадью 46 квадратных метров, распечатанный с помощью принтера S-300, обойдется примерно в 914 тысяч рублей без учета отделки. Строительство первого дома в поселке нового поколения уже началось. Второй планируют построить за 30 часов — по замыслу строителей, это продемонстрирует высокие темпы возведения зданий с помощью 3D-принтера. Строительство третьего дома должно показать, что трехмерная печать способна справляться со сложными архитектурными формами.

Когда все объекты будут готовы, компания планирует использовать поселок для демонстрации возможностей принтера S-300: здесь могут останавливаться специалисты, которые интересуются технологией трехмерной печати.

К слову, в первом доме, построенном «АМТ-Спецавиа» с помощью 3D-принтера, ныне живет семья генерального директора ярославской компании Александра Маслова. Это здание стало первым жилым домом в Европе, созданным при помощи трехмерного принтера. И грандиозным по масштабам — его площадь составляет 300 квадратных метров.

«Все уже давно забыли, что дом был построен каким-то необычным способом. Он дешевле кирпичного и лучше него по прочности и теплоемкости», — говорит Маслов.

Следующая амбициозная задача для специалистов по трехмерной печати — доказать, что 3D-принтеры осилят сложные архитектурные объекты, способные служить в условиях российского климата. Такую цель поставил перед собой застройщик, который собирается возводить двухэтажный жилой коттедж площадью около 200 квадратных метров в Уфе. В проекте принимают участие и международные компании — в частности, один из крупнейших в мире производителей и поставщиков опалубки и строительных лесов Peri. Похожий объект Peri уже печатали в Германии. Компании принадлежит часть производителя оборудования для 3D-печати COBOD, принтер которой будет использоваться в уфимском проекте.

Принтер BOD 2, который применят в Уфе, считается самым быстрым в мире. Он печатает со скоростью 100 сантиметров в секунду. В Германии с его помощью уже построили трехэтажный дом на пять квартир общей площадью 380 квадратных метров.

3D-печать в строительстве будоражит и крупнейшие в мире университеты. Так, еще одну реализацию технологии придумали в Массачусетском технологическом институте (MIT) в Калифорнии — легендарном университете, десятки выпускников которого стали лауреатами Нобелевской премии.

В MIT для строительства зданий по 3D-технологии решили использовать пластиковую или полиуретановую опалубку, которая заполняется бетоном. Примерно за 30 секунд после экструзии из головки принтера слой материала увеличивается в объеме до 80 раз, он становится плотнее и прочнее. Принтер MIT использует платформу на гусеничном ходу с роботизированным манипулятором, который оснащен модульной системой сопел. В отличие от большинства строительных 3D-принтеров, принтер MIT не имеет несущих рам или опор.

Установки для 3D-печати в строительстве пользуются большим спросом, говорит руководитель «АМТ-Спецавиа» Александр Маслов. За пять лет российская компания продала 150 единиц своего оборудования в 15 странах мира, включая Германию, Данию и США. На зарубежные продажи приходится около 70 процентов выручки ярославской компании.

Пока на мировом рынке не так много серийных производителей техники для 3D-печати. Две аналогичные компании существуют в Европе, еще две — в Китае. Россия закрепилась в числе мировых лидеров рынка. Отечественные компании могли бы расти за счет экспорта, но этот процесс осложняется: чтобы экспортировать свои товары в США, где спрос на 3D-печать в строительстве высок, производителям нужно сертифицировать свои технологии трехмерной печати в соответствии с патентными требованиями Соединенных Штатов, сетует гендиректор «АМТ-Спецавиа».

Технологии для людей

Исчезнет ли с приходом 3D-печати традиционное строительство? Этот вопрос стал предметом дискуссии в отрасли с момента появления первых 3D-устройств. Александр Маслов из «АМТ-Спецавиа» отвечает на него однозначно: классические технологии возведения зданий не исчезнут, а трехмерная печать будет использоваться преимущественно для строительства сложных конструкций.

В более отдаленной перспективе 3D-принтеры можно будет применять в жилой высотной застройке. Российское оборудование уже позволяет печатать здания высотой до 80 метров, что соответствует 26-этажному жилому дому. «Самое главное — если на принтере дома печатаются прямо на фундаменте, то получаются монолитные здания, нормативный срок эксплуатации которых составляет 80-100 лет», — поясняет специалист.

Возводить высотки с использование 3D-печати в России пока мешает нормативная сторона строительства. Проекты высотных домов, зданий промышленного назначения или общественно-бытовых зданий должны проходить государственную экспертизу. Но в отношении строительства с использованием трехмерной печати пока нет отработанной процедуры.

Однако потенциал 3D-печати в строительстве огромен, отмечает Адамцевич из НИИ строительных материалов и технологий МГСУ. Причем внедрение технологии выгодно не только застройщику, но и конечному потребителю.

«Из примеров других отраслей мы понимаем, что снижение доли ручного труда и автоматизация процессов ведет к росту производительности и снижению стоимости продукта», — объясняет эксперт.

100
лет
может простоять распечатанный на принтере дом

И немудрено: при 3D-строительстве всего один оператор принтера может исполнить функцию целой бригады строителей. Даже с учетом того, что смеси для трехмерной стройки стоят дороже простого бетона, экономия все равно очевидна. Егор Яковлев, специалист по материалам из Mighty Tech подтверждает: пока материал для трехмерной печати ненамного дороже обычного бетона.

В конечном итоге широкое внедрение трехмерной печати в строительстве может сделать жилье доступнее, предрекает Адамцевич. Построенные по этой технологии дома уже стоят значительно дешевле. Так, в 2021 году американский стартап SQ4D, который предлагает распечатанные на принтере типовые частные дома, добился сокращения их себестоимости почти в десять раз. В итоге конечным потребителям дома из-под 3D-принтера предлагают по цене, в два раза меньшей, чем аналогичные здания, возводимые привычным способом. При этом на их изготовление тратится в 35 раз меньше времени.

Круглые города

Если приглядеться к облику любого современного города, можно заметить одну очевидную вещь: повсюду преобладают прямоугольные формы. Жилые дома, школы, госучреждения, магазины, даже хозяйственные постройки люди привыкли видеть исключительно прямоугольными. Это не прихоть строителей, а технологическая целесообразность: элементы прямоугольной формы гораздо проще соединять между собой.

«И при этом неважно, идет ли речь о строительстве из штучных элементов вроде кирпича, блоков, панелей и так далее, либо о монолитном строительстве, где также нужно предварительно соединить опалубочные элементы, — люди всегда стремятся к максимальному упрощению и типизации элементов. Как только в проекте появляются более изящные архитектурные формы, мы понимаем, что это уже не для массового строительства, а нечто уникальное, призванное подчеркнуть особый статус места, но при этом требующее существенно больших затрат на производство штучных элементов, а также привлечение опытных архитекторов и строителей, способных выполнять сложные проекты», — объясняет Адамцевич.

В этом вопросе 3D-принтер расширяет перспективы и позволяет по-новому взглянуть на дома с архитектурной точки зрения.

Принтеру все равно, что печатать, — увеличение сложности архитектурной формы не оказывает значимого влияния на трудоемкость печати и, как следствие, на стоимость

Алексей Адамцевич
заместитель директора НИИ строительных материалов и технологий МГСУ

Когда же человечество сможет уйти от стереотипного представления о городах и начать строить их по-новому? По-видимому, очень скоро. К этому отрасль подталкивает объективная реальность, говорят специалисты. В эпоху цифровизации все меньше современных людей хотят связывать свою жизнь с тяжелым ручным трудом. А потому единственный выход из сложившейся ситуации — цифровизировать строительную отрасль и повысить производительность труда.

«Рост производительности труда в строительстве стагнирует уже много десятилетий подряд. Такие отрасли, например, как машиностроение или сельское хозяйство, за то же самое время ушли очень далеко благодаря непрерывной автоматизации. В строительстве же, как и 100 лет назад, сегодня преобладает ручной труд. Очевидно, что так не может продолжаться бесконечно, и спрос на автоматизацию строительных процессов объективно уже назрел. Уверен, реализацию этого спроса мы увидим очень скоро — в том числе в бурном развитии технологий строительной 3D-печати», — предсказывает кандидат технических наук Алексей Адамцевич.

Важность новых технологий строительства осознают и на государственном уровне. В частности, Минстрой России работает над внедрением технологий информационного моделирования (ТИМ). Это умное 3D-моделирование будущего объекта, которое учитывает все аспекты строительства и позволяет специалистам эффективнее планировать, проектировать, строить и эксплуатировать здания. Система позволит сделать строительство безопаснее и эффективнее с экономической точки зрения. За счет этого скорость возведения новых зданий увеличится на 30 процентов, а вместе с тем снизится и стоимость объектов.

Более того, в апреле 2021 года в России вступили в силу разработанные Московским государственным строительным университетом стандарты материалов для аддитивного производства, а в июле правительство России утвердило «Стратегию развития аддитивных технологий до 2030 года».

Аддитивные технологии — послойное наращивание и синтез объекта с помощью 3D-печати

«Если перспективы развития строительной 3D-печати для российских компаний, занимающихся этой темой, были и раньше, и все они без особых проблем находили свой рынок и спрос на свои разработки по всему миру, то сегодня наметились позитивные тенденции формирования рынка строительной 3D-печати непосредственно в России, причем как раз на те самые десятилетия вперед», — заключает Адамцевич.

Космические перспективы

Мировые космические агентства объявили целью XXI века полет на Марс. Дата первого полета человека на Красную планету не установлена, но у землян уже есть решение для застройки Марса. И все благодаря 3D-принтерам.

О желании решить проблему возведения домов на Марсе впервые публично заявило НАСА. В 2015 году американское национальное космическое управление объявило конкурс на лучший проект постройки домов на соседней планете при помощи 3D-принтеров. Конкурсантам надо было учесть немало условий, ведь климат на Марсе суров: дома должны быть устойчивы к минус 125 градусам Цельсия (температура на Марсе в зимнее время) и гигантским перепадам температур, непредсказуемым осадкам, радиации, пылевым бурям, торнадо и многому другому. Победителей конкурса выбирали почти пять лет.

В результате первыми стали выходцы из Нью-Йорка SEArch и Apis Cor, которые предложили в качестве дома на Марсе башню витой формы, допускающую непрерывное усиление конструкции. По проекту, зданию обеспечен максимальный доступ к солнечному свету, оно также защищено от космической радиации.

Второе место досталось команде Zoperhous из Арканзаса с концепцией автономных роверов, которые из марсианских материалов создают модульные конструкции для будущих домов. Третьим стал коллектив Mars Incubator из Коннектикута: он предложил дом, состоящий из отдельных модулей (вестибюля, жилого пространства, многоцелевого помещения и зоны биологической регенерации), соединенных проходами.

Несмотря на то что человечество приготовилось к освоению Марса, специалисты все-таки советуют начать космические эксперименты с 3D-застройкой на Луне.

«И лунное сырье, и сырье на Земле, особенно вулканиты — продукты распада остывшей лавы, сейчас активно используются в 3D-печати, особенно для приращения уровня устойчивости и экологичности материала. Уже несколько компаний сотрудничают с НАСА в разработке принтера, который способен располагаться на Луне и создавать там требуемые конструкции», — говорит Егор Яковлев из Mighty Buildings.

3D-принтеры всерьез планируют задействовать в строительстве баз на Луне. Еще в 2013 году об этом заявили в Европейском космическом агентстве (ЕКА). В качестве материала для печати предлагалось использовать переработанный лунный грунт — реголит. Материал для постройки находится непосредственно на Луне, а значит, нет необходимости тратить средства на транспортировку грузов с Земли.

С учетом этого архитектурное бюро Foster + Partners специально разработало концепцию дома в форме купола со стенами, имеющими ячеистую структуру. Конструкция позволит сохранять герметичность помещения при ударе микрометеорита и защитить астронавтов от космической радиации. Для проекта компания Monolite представила D-образный принтер с набором печатающих сопел, установленных на шестиметровой раме.

Скорость печати «лунного» 3D-принтера — около двух метров в час, то есть на строительство полноценного здания с учетом местных особенностей уйдет всего три-четыре недели

Именно на Луне специалисты космической отрасли предлагают отработать технологию застройки Марса. Профессор Йохан-Дитрих Вернер, в то время генеральный директор ЕКА, приводил весомый аргумент. Если землянам потребуется переместиться на другую планету, то они в любом случае столкнутся с необходимостью выживать в тяжелых условиях, так пусть первое внеземное поселение будет находиться всего в четырех днях полета от Земли, а не в шести месяцах, как в случае с Марсом.

Лунная деревня должна стать многонациональным поселением астронавтов, космонавтов и, возможно, даже тайконавтов, уверен бывший глава Европейского космического агентства. А «земные» разногласия не должны быть помехой в освоении космоса. Более того, Вернер убежден, что решение такой сложной задачи способно объединить страны и положить конец всем конфликтам.