3D打印助力太空探索！

導(dǎo)讀：現(xiàn)在，在各個(gè)國家之間展開了一場新的太空競賽嗎。這一次，世界各地的科學(xué)家都在努力實(shí)現(xiàn)各種目標(biāo)，包括努力尋找一種方法殖民去往其他星球，通過各種技術(shù)確保人類能夠真正地生活在外太空。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，3D打印是可用于太空殖民的領(lǐng)先技術(shù)之一，這要?dú)w功于它的適應(yīng)性、成本效益，當(dāng)然還有就地取材的能力，如果我們真的想遷移到其他星球，這是一個(gè)關(guān)鍵的必要條件�，F(xiàn)在各國人們將3D打印技術(shù)應(yīng)用于太空殖民領(lǐng)域到那種程度呢？還面臨著什么問題？太空殖民真的能變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)嗎？

ICON 和 NASA 在火星創(chuàng)建3D打印居住基地
在太空探索領(lǐng)域方面，NASA與3D打印建筑公司ICON合作，在火星“建造房屋”。在最新的項(xiàng)目中，NASA將研究在其他星球上創(chuàng)造居住地的可能性，ICON宣布將與建筑公司BIG-Bjarke Ingels Group合作設(shè)計(jì) ，3D打印一個(gè)模擬的可在火星表面的居住房屋。這是有史以來的第一個(gè)火星建造房屋的項(xiàng)目，被命名為MARS DUNE ALPHA，這個(gè)模擬房屋占約為1700平方英尺，雖然整個(gè)基地只有不到160平方米，但麻雀雖小、五臟俱全。 基地中除了有臥室、廚房、浴室、工作間等必須設(shè)施之外，還設(shè)置了健身房、娛樂室、醫(yī)療室和種植莊稼的空間。制造完成后，該模型將被交付到位于德克薩斯州休斯頓的美國宇航局約翰遜航天中心進(jìn)行測試。


△圖片來源：ICON

通過 3D 打印在火星上生活？
自 2014 年以來，NASA 一直在舉辦一項(xiàng)名為3D打印居住房屋的挑戰(zhàn)賽，旨在制造可以在太空中實(shí)現(xiàn)的3D打印的結(jié)構(gòu)，以支持與地球不同的星球上的生命。幾年前獲獎(jiǎng)的項(xiàng)目之一是MARSHA項(xiàng)目，該項(xiàng)目為火星上的3D打印房屋開發(fā)了一個(gè)概念。美國公司 AI Spacefactory 提出了錐形結(jié)構(gòu)，其大小為34平方米。它將依靠在火星上發(fā)現(xiàn)的資源來建造（就地取材），不需要從地球運(yùn)輸材料，減少了大量的資源。MARSHA還設(shè)計(jì)了一個(gè)雙殼系統(tǒng)，阻止由于火星溫度變化引起的房屋結(jié)構(gòu)變形。


△美國公司 AI Spacefactory 提出了錐形結(jié)構(gòu)，圖片來源：AI Spacefactory

Mars One 3D打印適用于火星的太空服
許多項(xiàng)目正在開發(fā)以到達(dá)火星，當(dāng)然，知道如何到達(dá)火星很重要，但確保我們能夠在“不死”的情況下踏上火星也同樣重要。這就是為什么像NASA 和歐洲航天局 (ESA) 都正在研究這個(gè)問題的原因�？紤]到這一點(diǎn)，2011年成立的Mars One公司推出了一款使用3D技術(shù)設(shè)計(jì)的宇航服。由于使用了數(shù)字化和增材制造，Mars One開發(fā)了一套完美適應(yīng)宇航員形態(tài)的衣服，以確保在火星上的生存。


△太空服，圖片來源：Mars One

Zebro Swarm 機(jī)器人建造火星地下基地
代爾夫特理工大學(xué)的研究人員發(fā)現(xiàn)了另一種使用3D打印在火星上建造房屋結(jié)構(gòu)的方法，這次是使用機(jī)器人！代爾夫特的Zebro Swarm機(jī)器人可以挖掘火星上的地下生活空間，使用3D打印用火星材料進(jìn)行墻壁加固。多臺(tái)自主機(jī)器人的功能類似于螞蟻建立基地，能夠在地下挖掘時(shí)相互交流和分工�？茖W(xué)家們認(rèn)為生活在地下更適合火星上的人類，因?yàn)?strong>火星地下的溫度變化相比底面的溫度變化來說，沒有那么明顯。南極熊獲悉，歐空局已經(jīng)認(rèn)識(shí)到該項(xiàng)目的重要性，并為此項(xiàng)目提供了研發(fā)資金。


△火星地下建造房屋

Luyten有望在月球上3D打印房屋
Luyten是一家專門在太空探索領(lǐng)域用用增材制造技術(shù)的公司。作為Meeka項(xiàng)目的一部分，這家澳大利亞3D打印機(jī)制造商正在與新南威爾士大學(xué) (UNSW) 合作目標(biāo)是使用Platypus Galacticus 3D打印機(jī)在月球上建造房屋。利用這項(xiàng)技術(shù)和來自月球風(fēng)化層的材料，Luyten有望建造長達(dá)12米、高9米的結(jié)構(gòu)。此外，為了確定可建造的區(qū)域，Luyten計(jì)劃派多臺(tái)漫游車為Platypus Galacticus提供技術(shù)支持，一些用來收集月球材料（就地取材），一些用來觀察確定環(huán)境情況。


△圖片來源：Luyten

太空中的 3D 生物打印
太空生活并不像地球生活一般輕松，在太空上缺乏重力極大地影響了宇航員的骨骼和肌肉。所以，ESA研究人員一直致力于研究3D生物打印項(xiàng)目，設(shè)計(jì)皮膚和骨骼樣本。打印過程是反向進(jìn)行的，以證明它可以在微重力條件下轉(zhuǎn)移到太空。如果宇航員可以在旅途中使用3D生物打印機(jī)，他們將能夠應(yīng)對醫(yī)療緊急情況，例如，在燒傷的情況下，機(jī)組人員可以打印新的皮膚。在ESA的案例庫中，有多個(gè)皮膚和骨骼樣本是用血漿、甲基纖維素和海藻酸鹽進(jìn)行3D打印的。


△使用人體血漿作為物墨水打印人體皮膚細(xì)胞的樣本（照片來源：ESA – SJM Photography）

月出計(jì)劃
2021年1月，來自布倫瑞克工業(yè)大學(xué)和漢諾威激光中心 (LZH) 的一組研究人員首次成功完成了3D打印月球風(fēng)化層的實(shí)驗(yàn)。為了進(jìn)行這個(gè)名為“月出”的實(shí)驗(yàn)，科學(xué)家們?yōu)樵虑蜍嚺鋫淞思す馄�，以熔化月球材料。然后，研究人員使用了IRAS MIRA3D漫游車進(jìn)行3D打�。ㄟ@是一種專門設(shè)計(jì)用于在太空中進(jìn)行3D 打印的月球車）。研究人員稱已經(jīng)利用風(fēng)化層設(shè)計(jì)出了多個(gè)物體，這為在月球真正建造房屋奠定了基礎(chǔ)。


△圖片來源：LZH

3D打印生物粘合劑創(chuàng)可貼
作為名為“cosmic kiss”的太空任務(wù)的一部分，國際空間站上的宇航員對3D打印生物粘合劑創(chuàng)可貼進(jìn)行了不同的測試，德國宇航員馬蒂亞斯·莫雷爾測試了在太空中使用生物打印的膠布。Bioprint FirstAid的最終目標(biāo)是在荒涼地區(qū)或極端條件下（缺乏醫(yī)療救助條件）能夠提供救助。手持式機(jī)械生物打印機(jī)的使用方法是將其直接涂抹在皮膚損傷部位，然后使用特殊的生物墨水立即打印出類似石膏的條帶。由于打印機(jī)的體積很小并且易于操作，科學(xué)家們稱它未來可能用于太空中或地球上惡劣環(huán)境（例如北極地區(qū)）中。


△德國宇航員馬蒂亞斯·莫雷爾測試了在太空中使用生物打印的膠布

LavaHive 項(xiàng)目
2015年3月，NASA 發(fā)起了3D打印房屋挑戰(zhàn)賽。在 160 件參賽作品中，有一項(xiàng)作品脫穎而出。這個(gè)名為LavaHive的概念設(shè)計(jì)是由歐洲宇航員中心和奧地利集團(tuán) Liquifer Systems的成員開發(fā)的。與Moonrise項(xiàng)目一樣，研究人員的想法是使用風(fēng)化層作為3D打印材料。具體來說，LavaHive的主要設(shè)計(jì)是，在最中央建造充氣型基地，由月球材料3D打印的墻壁進(jìn)行加固。此外，為了獲得足夠大的居住空間，這個(gè)充氣區(qū)域通過3D打印的隧道連接到三個(gè)子棲息地。


△圖片來源：LavaHive

我國探月計(jì)劃
針對我國的探月計(jì)劃，中國探月工程總設(shè)計(jì)師、中國工程院院士吳偉仁說：“如果我們在月球南極建設(shè)一個(gè)科研站，我們可以長時(shí)間對地球進(jìn)行大動(dòng)態(tài)、全方位、穩(wěn)定的觀察。2030年之前，我們將在月球南極建設(shè)一個(gè)科研站基本型。隨著后期科研站規(guī)模的擴(kuò)大，我們可以在月球上進(jìn)行蓋房子、打磚、3D打印等工作。同時(shí)，我們也可以在月球上開采礦物，這都是未來發(fā)展的方向。此外，我們還可以借助月球做跳板，前往更遠(yuǎn)的深空、更遠(yuǎn)的星球�！�


中國微重力3D打印實(shí)驗(yàn)
我國最早在2016年3月，就曾在法國波爾多，93次拋物線飛行試驗(yàn)。試驗(yàn)中，中科院太空增材制造技術(shù)試驗(yàn)隊(duì)，利用每次22秒微重力環(huán)境，用自主研發(fā)的3D打印設(shè)備和工藝成功打印了目標(biāo)樣品，證明了微重力環(huán)境下制造產(chǎn)品的可行性。


△拋物線飛行實(shí)驗(yàn)用打印機(jī)

繼2016年?duì)款^開展我國首次“太空3D打印”技術(shù)實(shí)驗(yàn)后，歷經(jīng)兩年多的研究和準(zhǔn)備，中科院太空增材制造技術(shù)試驗(yàn)隊(duì)自主研發(fā)了納米級(jí)類固態(tài)陶瓷膏體材料、3D打印陶瓷耐高溫模具以及兩套試驗(yàn)裝備。使用歐洲失重飛機(jī)成功完成了微重力環(huán)境下陶瓷材料立體光刻成形技術(shù)試驗(yàn)，為我國在太空中實(shí)現(xiàn)多種材料的高精度制造奠定了必要技術(shù)基礎(chǔ)。


△微重力實(shí)驗(yàn)

中國太空3D打印裝備
2020年5月5日18時(shí)整，為我國載人空間站工程研制的長征五號(hào)B運(yùn)載火箭成功將搭載的新一代載人飛船試驗(yàn)船送入預(yù)定軌道，首飛任務(wù)取得圓滿成功，實(shí)現(xiàn)空間站階段飛行任務(wù)首戰(zhàn)告捷。在此次新一代載人飛船上還搭載了一件完全由我國科研團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的新型裝備——“連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料太空3D打印裝備”，這是我國首次太空3D打印實(shí)驗(yàn)，也是國際上第一次在太空中開展連續(xù)纖維復(fù)合材料的3D打印實(shí)驗(yàn)。


△連續(xù)纖維復(fù)合材料的3D打印實(shí)驗(yàn)

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