3D打印助力太空探索！

導(dǎo)讀：現(xiàn)在,，在各個(gè)國(guó)家之間展開了一場(chǎng)新的太空競(jìng)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。現(xiàn)在各國(guó)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(guó)宇航局約翰遜航天中心進(jìn)行測(cè)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(guó)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(guó)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,。考慮到這一點(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(zhǎng)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(duì)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(kù)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(guó)際空間站上的宇航員對(duì)3D打印生物粘合劑創(chuàng)可貼進(jìn)行了不同的測(cè)試，德國(guó)宇航員馬蒂亞斯·莫雷爾測(cè)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(guó)宇航員馬蒂亞斯·莫雷爾測(cè)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L(zhǎng)avaHive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(guó)探月計(jì)劃
針對(duì)我國(guó)的探月計(jì)劃,，中國(guó)探月工程總設(shè)計(jì)師、中國(guó)工程院院士吳偉仁說：“如果我們?cè)谠虑蚰蠘O建設(shè)一個(gè)科研站,，我們可以長(zhǎng)時(shí)間對(duì)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(guó)微重力3D打印實(shí)驗(yàn)
我國(guó)最早在2016年3月,，就曾在法國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)太空3D打印裝備
2020年5月5日18時(shí)整，為我國(guó)載人空間站工程研制的長(zhǎng)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(guó)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(guó)首次太空3D打印實(shí)驗(yàn),，也是國(guó)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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