載人登月的終極秘訣：月球塵埃3D打印

來源：中關(guān)村在線

1969年的阿波羅11號(hào)登月任務(wù)僅持續(xù)了8天。如果我們想在月球、火星甚至更遠(yuǎn)的地方建立永久性基地，那么未來的宇航員將不得不在太空中度過更多的日子，數(shù)月或數(shù)年遠(yuǎn)離地球。那么問題就來了：如何在太空中維持長期生存和生活？從地球發(fā)射材料和物資成本太過高昂且不可持續(xù)，最好的辦法仍然是就地取材。

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過去的研究集中于如何在月球表面獲取原材料用于建造房屋、道路等基礎(chǔ)生活設(shè)施�，F(xiàn)在3D打印技術(shù)的日益成熟幫助科研人員更深入一些，新的研究聚焦于在月球上3D打印各種設(shè)施的零部件或替換備件，原材料正是遍月都是的月球塵埃。

利用月球塵埃3D打印生活設(shè)施零部件

△在月球上3D打印

△示意圖：月球塵埃3D打印出來的物體

3D打印也就是增材制造技術(shù)，多年來已經(jīng)頻繁用于航空航天的科研項(xiàng)目，包括NASA向國際空間站ISS發(fā)射了一臺(tái)用于太空工況測試的3D打印機(jī)。而用于3D打印的原材料則多種多樣，除了塑料、金屬、陶瓷等之外，黏土也是其中的一種。另外3D打印還高度自動(dòng)化、節(jié)省人力，并支持遠(yuǎn)程操控。從理論上來說完全可以在宇航員到達(dá)月球之前先發(fā)射3D打印機(jī)并制造基礎(chǔ)設(shè)施或工具，一旦宇航員登月成功立刻利用月球上的設(shè)施開展工作。

用月球塵埃直接3D打印工具零件

當(dāng)然也存在重大挑戰(zhàn)。3D打印主要是為在地球上使用而開發(fā)的，其原理所依賴的重力和溫度都與地表環(huán)境密切相關(guān)。而到了月球或火星上更復(fù)雜的環(huán)境之下，一切都還是未知數(shù)。

△月球塵埃3D打印技術(shù)原理圖

月球表面被風(fēng)化層覆蓋，這是一種松散的粉狀材料，由數(shù)百萬年的流星轟擊月球表面而形成。我們可以把它理解為月球的土壤，由不到幾毫米的細(xì)微顆粒組成。對(duì)于3D打印來說這種土壤就是天然形成的極佳原材料，輔以粘合劑、催化劑將能夠打印出用途廣泛的零件或設(shè)施。

月球表面的風(fēng)化層

英國拉夫堡大學(xué)增材制造研究小組（AMRG Group）的Thanos Goulas博士發(fā)表了一篇名為《用月球塵埃3D打印》的論文。該小組成員一直在研究如何使用月球風(fēng)化層來打印一系列工程組件。

Thanos Goulas博士發(fā)表論文《用月球塵埃3D打印》

詳細(xì)的方案是，使用激光將非常少的能量轉(zhuǎn)化為熱量，利用熱量融化并融合風(fēng)化層的晶粒，形成薄而堅(jiān)固的材料切片。多次重復(fù)此過程并按順序?qū)訉盈B加，最終可以構(gòu)建一個(gè)三維對(duì)象。每層厚度不超過1毫米，因此更適合生產(chǎn)較小的、精確設(shè)計(jì)的工具，如灰塵或凈水過濾裝置，通常需要小于1微米（0.001毫米）的孔。如果重要部件損壞或磨損，那么3D打印將能夠直接在月球上制造零件，從而大大減少從地球向月球的太空發(fā)射頻次和重量。

Thanos Goulas博士專門從事增材制造方面的研究

目前的研究進(jìn)展到材料領(lǐng)域，需要更好地了解材料及其與3D打印過程的相互作用，并設(shè)計(jì)新的技術(shù)解決方案以克服條件限制。下一步將是用真正的月球風(fēng)化層測試3D打印。地球上現(xiàn)有的樣本非常有限，但隨著人類進(jìn)入月球探索的新時(shí)代，也許很快就會(huì)有比較充足的月球塵埃樣本，用于在地表研發(fā)月球3D打印技術(shù)的科研領(lǐng)域。