3D打印技術(shù)幫助人類走出地球，建立外星基地

南極熊導(dǎo)讀：如果說第一次太空競賽的高潮是美國宇航員的月球行走，那么第二次太空競賽就是在月球上建造出一座建筑物。在太空中憑借 3D 打印技術(shù)構(gòu)建地外建筑物，一直以來就是眾多科學(xué)家們熱議的話題�；貧w到技術(shù)本身，3D 打印是否真的有可能帶人類走出地球？

△中國空間站和核心艙在我國文昌航天發(fā)射場發(fā)射升空，新華社記者 周佳誼 攝

2021 年 4 月 29 日 11 時 23 分，中國空間站和核心艙在我國文昌航天發(fā)射場發(fā)射升空，準(zhǔn)確進(jìn)入預(yù)定軌道，中國空間站在軌組裝建造全面展開，發(fā)射任務(wù)圓滿成功，這也標(biāo)志著我國距離成功建設(shè)地外生存空間又近了一步。中華民族一直是一個敢于逐夢，從萬戶點(diǎn)燃座椅下的引信那一刻，到跨越幾百年后如的“嫦娥”、“天宮“、”天問“…我們有著同一顆向往宇宙的求索之心，不過今時今日的我們更幸運(yùn)地是有了更多可以仰賴的先進(jìn)技術(shù)。

關(guān)于 3D 打印在太空中的應(yīng)用，早在 2014 年就有報(bào)道稱瑞士 RUAG 航天公司使用 3D打印的部件制造衛(wèi)星，從而使他們更輕、更便宜。衛(wèi)星的 3D 打印部件由德國 EOS 公司完成，最終的 3D 打印部件質(zhì)量僅為過去部件質(zhì)量的一半，并且具有良好的剛度。該公司正在研究下一步太空應(yīng)用工藝，有可能用 3D 打印技術(shù)制造整個衛(wèi)星結(jié)構(gòu)件，這就意味著目前必須單獨(dú)制造的電氣線束、反射鏡、加熱管和其他部件以后可集成制造。
下面，南極熊從“在地球上3D打印制造火箭升空→在空間站中3D打印零件→在火星或月球上3D打印建造基地”這么一個思路來聊聊，3D打印技術(shù)是怎么樣幫助人類走出地球的。

在地球上的3D打印


△Relativity Space HQ的Stargate 金屬3D打印機(jī)

目前 3D 打印技術(shù)，也已經(jīng)開始被應(yīng)用于火箭的制造行業(yè)。據(jù)有學(xué)者講述，將人類送去探索其他星球的最大障礙，不是科技，而是成本。而 3D 打印這種簡單、省錢的方法就自然地出現(xiàn)在了科研者的視界中。軌道發(fā)射公司 Relativity Space 的研發(fā)團(tuán)隊(duì)曾設(shè)計(jì)了一臺近兩層樓高的 3D 金屬打印機(jī) Stargate，它是目前世界上最大的用以制造火箭的打印機(jī)。這臺打印機(jī)系統(tǒng)裝有多個打印頭，每個臂都裝有激光器，它還配備了質(zhì)量控制系統(tǒng)，包括云模擬、先進(jìn)成像和檢測傳感器等，并采用智能學(xué)習(xí)技術(shù)，這些設(shè)計(jì)讓系統(tǒng)在打印結(jié)束后能進(jìn)行自動化組裝。

△3D打印的Relativity Space Aeon發(fā)動機(jī)點(diǎn)火

研發(fā)團(tuán)隊(duì)表示正在用 Stargate 打印 Aeon 1 火箭引擎，還表示 20 天就能制造這樣一臺引擎。相比于通常有數(shù)千個零件的發(fā)動機(jī)，Aeon1 只有 100 個零件，他們還將打印運(yùn)載火箭 Terran 1。如果順利，這將是目前世界上第一臺完全由 3D 打印出來的火箭。他的零件比傳統(tǒng)火箭少 100 倍。另外，相比傳統(tǒng)制造所需的 12-18 個月，據(jù)介紹 Stargate 能在 69 天之內(nèi)就可以將原材料變成能上天的運(yùn)載工具。

3D 打印技術(shù)，除了能讓發(fā)射成本降低，也能更靈活的滿足定制需求。比如客戶可以根據(jù)不同的載荷，調(diào)整整流罩的尺寸等。目前該企業(yè)正在籌集資金以完成 Terran 1 的研制和最終的發(fā)射工作。但同時，Terran 首飛已經(jīng)從 2020 年底推遲到了 2021 年初，部分原因在于，公司將 2 米寬的整流罩增加了 3 米，載荷容量也因此增加了一倍。


在空間站的3D打印


△2020年12月，總部位于佛羅里達(dá)州的Made In Space太空制造公司，在太空軌道上制造了第一個陶瓷零件，并在國際空間站（ISS）上3D打印了單件渦輪“葉盤”

△在空間站上3D打印的其他陶瓷零件

由于減少了重力引起的缺陷（例如沉降和成分梯度），在微重力下制造渦輪部件可能會產(chǎn)生具有更好性能的零件，包括更高的強(qiáng)度和更低的殘余應(yīng)力。這項(xiàng)技術(shù)證明了空間站潛在的獨(dú)特制造能力，可以提高國際空間站的商業(yè)利用率。

在月球火星的3D打印
然后，3D 打印的火箭成功登錄月球或是火星了，就可以利用 3D 打印機(jī)在上面打印房子、汽車，乃至是各種現(xiàn)代科技產(chǎn)品，為人類未來可能的新家進(jìn)行建設(shè)。在太空 3D 打印這一領(lǐng)域，已有兩個機(jī)構(gòu)成功競得贊助權(quán)，以研究在月球和火星上進(jìn)行建筑 3D 打印的潛力。其中之一便是歐洲航天局，他們利用 D-Shape 工藝在月球上進(jìn)行建筑 3D 打印。這是一種使用光固化技術(shù)的大型 3D打印機(jī)，其逐層的打印工藝可將沙子與無機(jī)粘合劑結(jié)合在一起，創(chuàng)造出類似石頭般的物質(zhì)。該研究團(tuán)隊(duì)是由 D-Shape 工藝的發(fā)明者、工程師恩里科·迪尼（Enrico Dini）、福斯特建筑事務(wù)所的建筑師、太空顧問阿爾塔公司（Alta SpA）以及圣安娜高等研究院機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室（PERCRO）的科學(xué)家們組成。

另一個機(jī)構(gòu)是美國國家航空航天局，他們計(jì)劃利用輪廓成型工藝（Contour Crafting）在月球和火星上進(jìn)行建筑 3D 打印。這是一種層積打印技術(shù)，可以通過計(jì)算機(jī)控制的噴嘴擠出混凝土進(jìn)行打印。該研究團(tuán)隊(duì)全部由來自于南加州大學(xué)（USC）的研究學(xué)者組成，其中包括輪廓成型工藝的發(fā)明者比赫洛克·霍什內(nèi)維斯（Behrokh Khoshnevis）、建筑師尼爾·里奇、結(jié)構(gòu)工程師安德爾斯 ·卡爾森（Anders Carlson）以及太空建筑師馬杜·唐加盧（MadhuThangavelu）。

與傳統(tǒng)工藝相比，增材制造具有很多優(yōu)勢：制造的金屬或塑料部件更輕，制造周期更短和成本更低。減重在航天工業(yè)是決定因素，傳統(tǒng)的機(jī)械連接方式動輒上千個零件，不但工藝繁瑣，配備零件的重量增加也給設(shè)備本身帶來了不穩(wěn)定因素，3D 打印的一體化成型則可以很大程度上減小甚至避免這種問題產(chǎn)生。因?yàn)楹教炱髟捷p，升空成本就越低，這也決定了 3D打印技術(shù)將在航天具有廣闊的應(yīng)用前景。另一方面，3D 打印在零部件制造方面具有可觀的優(yōu)勢，畢竟在太空中按需打印當(dāng)然要比隨船運(yùn)送或由補(bǔ)給船運(yùn)送更好。

人類的征途終將是星辰大海，那里一切神秘，未來也終將一一解答。也許真的有那么一天，人類會在地球以外的新的家園，向外星人科普 3D 打印的美妙之處。試想一下吧，在遙遠(yuǎn)的不可知之地，我們站在 3D 打印技術(shù)造就的高樓之下，打開了手中的“南極熊3D打印”APP，向我們的外星朋友介紹著我們是如何利用 3D 打印技術(shù)建造出這么宏偉的建筑，多美啊！是吧？
南極熊有個心愿：可以去火星或者月球上生活，坐在基地的屋頂上，遠(yuǎn)看地球的陰晴圓缺。你愿意和我一起嗎？