太空3D打印離我們有多遠(yuǎn)？

作者：陳�。ㄖ袊�科學(xué)院上海硅酸鹽研究所）
來源：科普中國

在人類探索宇宙的過程中，設(shè)備和材料的“補給線問題”，一直阻礙著人類飛向更遠(yuǎn)的空間，當(dāng)人類處在一個除了太空船之外一無所有的空間的時候，最好的生存辦法就是利用現(xiàn)有的設(shè)備和太空原料來制造所需要的工具，這時，3D打印成了一個不錯的選擇。

3D打印技術(shù)，又稱增材制造，是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末顆粒狀無機或有機等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構(gòu)造物體的技術(shù)。伴隨著人類探索外太空步伐的加快，3D打印技術(shù)非常適合實現(xiàn)從簡單到復(fù)雜，從無到有的太空制造過程。

圖1 人類建立月球基地假想圖（圖片來源：veer圖庫）

太空3D打印能做什么？
太空3D打印主要解決兩個方面的問題：

（1）在飛行過程中幫助運行和維護太空飛船。主要包括：為航天器在空間制造替換零件，拓展航天器的壽命，節(jié)約重復(fù)發(fā)射成本；材料的太空循環(huán)利用，可直接利用老化和廢舊材料進行回爐再制造，不必耗費新材料，甚至可以利用太空垃圾制造零件，節(jié)約成本并且環(huán)保；在空間制造地面難以發(fā)射的超大尺寸部件光學(xué)鏡頭。

（2）建立適合人類生存的太空基地。當(dāng)人類到達(dá)新的星球的時候，衣食住行都要解決。首先解決住的問題，可以就地取材打印適合人類居住的房屋，房屋結(jié)構(gòu)需要具有保溫功能，并可抵擋微小流體攻擊和宇宙射線輻射。再就是考慮吃飯問題，打印適合植物生長的陽光房，以種植糧食。最后就是打印人類可以相互走訪聯(lián)系的交通工具等等。

太空3D打印主要存在的難點在哪里？
在太空中進行3D打印絕對不容易，航天器在軌飛行時，會受到地球引力之外多種作用的干擾，如大氣阻力、太陽輻射光、重力梯度效應(yīng)、軌道機動、姿態(tài)控制、設(shè)備運轉(zhuǎn)和乘員活動等，從而達(dá)不到完全“失重”狀態(tài)，而是一種“微重力”環(huán)境。

同樣，在新的星球建造太空基地，則主要考慮真空或者大氣環(huán)境、太陽輻射、引力大小等等因素，例如：月球的重力只有地球的1/6,為真空環(huán)境；火星的重力為地球的2/5,主要為二氧化碳?xì)怏w。

雖然3D打印機的基本設(shè)計保持不變，但微重力和氣氛環(huán)境需要特殊考慮，因此目前在地球上大多數(shù)3D打印設(shè)備是否適合在微重力不同氣氛條件下的打印過程需要重新調(diào)查研究，在早期條件不完善不完美的境況下，盡可能將3D打印設(shè)備設(shè)計的更為簡單，要求盡可能降低。

哪些方法適合太空3D打�。�
3D打印過程無非就是將含有固液的微滴黏合組合成我們想要的三維立體材料。3D打印方法有很多（圖2），但并不是所有方法都適合太空3D打印。在空間站和航天器外面的真空微重力條件下，哪些材料可以進行3D打印一目了然。

在盡可能降低打印條件要求的前提下，過程中含有液體的基本可以排除，因為液體在真空低蒸氣壓條件下很容易沸騰蒸發(fā)，特別是在微重力條件下，很難保持原有的形態(tài)，因此一些漿料打印方法可行性較低，例如含有液體的光固化打印方法（SLA）。

還有就是要求有粉體參與的打印方法，在真空微重力環(huán)境下，粉體無重力作用很難鋪展開來，容易到處飛舞，在太空難以控制如此多的微小目標(biāo)，在這種要求下，選區(qū)激光熔融（SLM）和燒結(jié)（SLS）打印方法、電子束熔融和燒結(jié)打印方法、黏結(jié)劑噴射打印方法（BJ）基本都可以排除在外。

圖2 各種3D打印方法示意圖

國際上普遍采用絲狀材料作為太空制造的主要材料形態(tài)，其主要采用熔融沉積的方法（FDM）去實現(xiàn)太空3D打印，基本原理為加熱頭把熱熔性材料加熱到臨界狀態(tài)，使其呈現(xiàn)半流體狀態(tài)而不是液體狀態(tài)，然后加熱頭會在軟件控制下沿CAD 確定的二維幾何軌跡運動，同時噴頭將半流動狀態(tài)的材料擠壓出來，材料瞬時凝固形成有輪廓形狀的薄層（圖3）。

從這個打印特征來看，整個方法過程中不會有液體和粉體出現(xiàn)，原料在加熱條件下變?yōu)榘肓黧w固態(tài)狀態(tài)，而加熱主要為電阻絲加熱，而不是激光加熱或者電子束加熱等要求比較苛刻的加熱方式。這種方法最為簡單可行。

圖3 FDM打印原理和打印設(shè)備（圖片來源：左圖維基百科，右圖veer圖庫）

2020年5月7日，中國首次開展軌道3D打印試驗，也是全球首次實現(xiàn)連續(xù)碳纖維增強復(fù)合材料的太空3D打印（圖4）。所采用的技術(shù)就是熔融沉積（FDM）3D打印技術(shù)，所采用的原料是樹脂基連續(xù)碳纖維增強復(fù)合材料，這種材料在加熱的條件下，樹脂塑料熔化成半流體狀態(tài),遇冷即可黏合在一起，得到想要的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。

圖4 中國首次太空3D打印連續(xù)碳纖維復(fù)合材料（圖片來源：中國空間技術(shù)研究院）

人類建立太空基地的探索
在星球建造太空基地，因為有一定重力條件，粉體的打印相對有一定的可行性，在具備封閉的氣氛條件下，液體的打印也可以完成，月球和火星具有創(chuàng)造這樣環(huán)境的條件。

歐洲航天局與阿爾塔SPA、Monolite有限公司、福斯特建筑事務(wù)所和圣安娜高等研究學(xué)院組成的工業(yè)協(xié)會采用D-Shape的黏結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)（圖5）評估了在月球建造基地的可行性。

他們首先模擬建立了一個環(huán)境溫度為20℃、真空度在2KPa的封閉環(huán)境，并且通過理論計算在此條件下只要控制直徑200μm以下黏結(jié)劑（墨水）液滴噴射在月球土壤層（73%的粒徑小于150μm，81%的粒徑小于250μm）上，液滴則不會蒸發(fā)，并且能夠保持足夠長時間的液體狀態(tài)來讓月壤形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。最后實踐用類月壤火山灰打印了構(gòu)件，經(jīng)過測試，結(jié)果非常好，其具有與混凝土一樣的低孔隙率，相容硬度也非常好。

圖5 D-Shape 打印的建筑（6m×6m×6m）

我國在利用3D打印技術(shù)模擬建造月球基地方面也進行了探索。2021年，科技部將“輕量化可重構(gòu)月面建造方法研究”列入重點研發(fā)計劃，成為“工程科學(xué)與綜合交叉”的重點專項。

華中科技大學(xué)成為該項目的首席科學(xué)家單位，他們把中國在月球上建造的月面基地樣式定名為“月壺尊”，這是一個外形酷似雞蛋殼的建筑。計劃用月壤燒出月球磚，再用“月蜘蛛”的機器人砌筑，3D打印模型“月壺尊”。

從外面看，它像是一個放大的雞蛋殼豎立在地面。作為建筑物，“月壺尊”里面并沒有承重的“四梁八柱”，蛋殼頂端是穹頂結(jié)構(gòu)，蛋殼體分內(nèi)外兩層，中間夾一層類似于肋骨的結(jié)構(gòu)，以增強穩(wěn)定性。

該團隊將中國傳統(tǒng)制磚砌筑的建造方式與3D打印建造方式相結(jié)合，采用整體預(yù)制拼裝、局部打印連接的方式設(shè)計建造月面基地，提出利用機器人機械臂上的高能束（太陽能或者激光）熔融燒結(jié)月壤，鋪一層月壤并熔融一次燒結(jié)出帶有榫卯結(jié)構(gòu)的月球磚，再通過機器人將月球磚拼裝建造。整個過程通過燒結(jié)月球磚避免了一次性3D打印成型的風(fēng)險，然后由機器人砌筑并同時用3D打印加強連接來完成結(jié)構(gòu)避免結(jié)構(gòu)變形。目前他們已制備出國內(nèi)首個模擬月壤真空燒結(jié)打印樣品，實現(xiàn)了從“0”到“1”的重大突破。

圖6 “月壺尊”月面基地效果圖（圖片來源：國家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心）

人類太空打印月球基地的計劃
NASA（美國國家航空航天局）將在阿爾忒彌斯計劃中啟用3D打印技術(shù)，他們將在月球南極稱之為“永恒之光”的山峰（該地點靠近火山口邊緣，是太陽輻射無處不在的地方，并且太陽入射角很低，可為太陽能收集提供長時間照明，永久陰影的火山口區(qū)域還有利于水的收集。）3D打印一個基地LINA（Lunar Infrastructure Asset）（圖7），為宇航員和機器人提供一個生活和工作場所。

它將由3個單元組成，每個單元75平方米，并由一個90平方米的公共庭院分隔，并集成一棵光伏樹，以直接捕獲和收獲太陽能,。它的跨度為8米×9.4米，高度為5米，可以保護宇航員免受輻射、月球地震、極端熱變化、隕石的影響，設(shè)計壽命至少50年。目前第一個原型正在肯尼迪航天中心建造，3D打印材料則根據(jù)BP-1月球模擬物配制而成，由NASA的顆粒力學(xué)和風(fēng)化層操作實驗室合成，他們還將模擬月球的環(huán)境進行測試驗證，溫度范圍從-170到70℃。

NASA計劃在2028年執(zhí)行這項任務(wù)，他們希望這將使他們有新的科學(xué)、技術(shù)發(fā)現(xiàn)，以建立月球經(jīng)濟，重要的是探索火星，同時保持人類長時間的存在。美國宇航局的目標(biāo)是在2028年出發(fā)執(zhí)行這項任務(wù)，他們希望這個項目可以整合最新的科學(xué)、技術(shù)成果，以建立常態(tài)化的月球基地，實現(xiàn)人類長時間在太空活動的可能，并為人類登錄火星做準(zhǔn)備。

圖7 3D打印LINA月球前哨基地想象圖（圖片來源：AI SpaceFactory）

我國有著更加宏偉的計劃，那就是在實現(xiàn)載人登月之后，也將建造國際月球科研站。2021年3月份，我國和俄羅斯正式簽署了合作備忘錄，聯(lián)手建造月球基地。目前來看，月球南極將是建造月球基地的最佳選址。只有建造了月球基地，人類才有望獲得月球上最重要的資源——氦-3，如果利用它進行可控核聚變，其能源足夠人類用1萬年以上！而且，月球表面的重力只有地球的1/6，未來在這里發(fā)射火箭，我們的航天器將會飛得更遠(yuǎn)！

結(jié)語
太空3D打印離我們到底有多遠(yuǎn)？這個問題的答案是，它觸手可及。太空3D打印的不斷發(fā)展，將使曾經(jīng)存在于科幻電影中的月球基地成為現(xiàn)實，而我國也必將在不遠(yuǎn)的未來使用這一技術(shù)實現(xiàn)更多曾經(jīng)不可能的科學(xué)想象。
出品：科普中國