西弗吉尼亞大學(xué)探索微重力下的二氧化鈦泡沫3D打印

2023年11月3日，南極熊獲悉，西弗吉尼亞大學(xué)（WVU）表示，學(xué)生和教師正在研究如何利用3D打印技術(shù)支持宇宙飛船、月球和火星上的長(zhǎng)期探索和居住。

△這項(xiàng)工作利用二氧化鈦泡沫作為模型系統(tǒng)，探索了增材制造用于原位資源利用制造紫外線阻擋或光催化材料的潛力

該大學(xué)微重力研究團(tuán)隊(duì)的成員認(rèn)為，3D打印是一種在現(xiàn)場(chǎng)制造關(guān)鍵材料和設(shè)備的方法，避免了從地球運(yùn)輸這些物品的需求。該團(tuán)隊(duì)最近的實(shí)驗(yàn)聚焦于失重微重力環(huán)境對(duì)使用二氧化鈦泡沫進(jìn)行3D打印的影響，這種泡沫材料具有從紫外線阻擋到水凈化等潛在應(yīng)用。

△工程專(zhuān)業(yè)本科生Renee Garneau正在研究一臺(tái)3D打印機(jī)，該打印機(jī)專(zhuān)為在微重力或無(wú)重力條件下運(yùn)行而定制

主要作者，西弗吉尼亞大學(xué)本杰明·M·斯塔特勒學(xué)院機(jī)械和航空航天工程博士生Jacob Cordonier說(shuō)“航天器不能攜帶無(wú)限的資源，所以你必須維護(hù)和回收你所擁有的資源，而3D打印可以實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。”

他補(bǔ)充道：“您可以只打印您需要的內(nèi)容，從而減少浪費(fèi)。我們的研究著眼于3D打印的二氧化鈦泡沫，是否可以抵御外層空間的紫外線輻射并凈化水，該研究還讓我們了解重力在泡沫從3D打印機(jī)噴嘴中噴出并鋪展到基材上的作用。我們已經(jīng)看到，在微重力下打印時(shí)，細(xì)絲形狀存在差異。通過(guò)改變打印過(guò)程中的其他變量，例如寫(xiě)入速度和擠出壓力，我們能夠更清晰地了解所有這些參數(shù)如何相互作用，以調(diào)整長(zhǎng)絲的形狀�！�

共同作者包括現(xiàn)任和前任本科生Kyleigh Anderson、Ronan Butts、Ross O’Hara、Renee Garneau和Nathanael Wimer。機(jī)械與航空航天工程系名譽(yù)教授John Kuhlman和副教授兼研究副主任Konstantinos Sierros也對(duì)這篇論文做出了貢獻(xiàn)。

△研究結(jié)果已在《ACS Applied Materials and Interfaces》雜志上發(fā)表，題目為“微重力下直接寫(xiě)入二氧化鈦泡沫用于光催化應(yīng)用”

微重力環(huán)境二氧化鈦泡沫3D打印

自2016年以來(lái)，Sierros一直監(jiān)管著西弗吉尼亞大學(xué)的微重力研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)行二氧化鈦泡沫的研究。這項(xiàng)工作最初需要搭乘波音727飛機(jī)進(jìn)行，在那里學(xué)生們將在飛機(jī)執(zhí)行拋物線飛行時(shí)的失重狀態(tài)下，在短短20秒的時(shí)間里將泡沫線打印到載玻片上。

Sierros說(shuō)：“在太空中，即使是一公斤的材料的運(yùn)輸成本都非常高，而存儲(chǔ)空間有限，因此我們正在研究所謂的‘就地資源利用。我們知道月球上存在與用于制造泡沫的二氧化鈦非常相似的礦物質(zhì)沉積物，因此我們的想法是不必將設(shè)備從地球運(yùn)輸?shù)教�空，因�(yàn)槲覀兛梢栽谠虑蛏祥_(kāi)采這些資源并，使用它們來(lái)打印執(zhí)行任務(wù)所需的設(shè)備�！�

這些設(shè)備包括紫外線防護(hù)罩，因?yàn)樽贤饩�對(duì)宇航員、電子設(shè)備和其他太空資產(chǎn)構(gòu)成威脅。

Cordonier補(bǔ)充道：“在地球上，我們的大氣層能夠阻擋大部分紫外線，盡管不能完全擋住它，這就是為什么我們會(huì)被曬傷的原因。但在太空或月球上，除了宇航服、航天器或棲息地上的任何涂層之外，沒(méi)有什么可以減輕紫外線的影響�！�

為了測(cè)量二氧化鈦泡沫阻擋紫外線的有效性，Sierros解釋說(shuō)：“我們將照射從紫外線波長(zhǎng)到可見(jiàn)光譜的光。我們測(cè)量了有多少光穿過(guò)我們打印的二氧化鈦泡沫薄膜，有多少光被反射回來(lái)，有多少光被樣品吸收。我們展示了薄膜阻擋了幾乎所有照射到樣品上的紫外線，只有很少的可見(jiàn)光透過(guò)。即使薄膜厚度只有200微米，我們的材料也能有效阻擋紫外線輻射�！�

Cordonier指出，這種泡沫還具有光催化特性，這意味著它可以利用光促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，從而實(shí)現(xiàn)凈化空氣或水等目的。

△對(duì)泡沫的各種性能和行為進(jìn)行了表征。具體來(lái)說(shuō)，200微米厚的泡沫層阻擋了99.8%的紫外線輻射

Sierros表示：“我們正在努力盡早將研究融入學(xué)生的職業(yè)生涯中。我們有一個(gè)專(zhuān)門(mén)從事硬件的學(xué)生小組，他們制造3D打印機(jī)。我們的學(xué)生負(fù)責(zé)材料開(kāi)發(fā)、自動(dòng)化和數(shù)據(jù)分析。受到美國(guó)宇航局的兩項(xiàng)非常有競(jìng)爭(zhēng)力的撥款支持，本科生參與了整個(gè)研究過(guò)程。他們發(fā)表了經(jīng)過(guò)同行評(píng)審的科學(xué)文章，并在會(huì)議上發(fā)表了演講，”

綜合來(lái)看，這項(xiàng)研究展示了增材制造的二氧化鈦泡沫在未來(lái)太空任務(wù)中可以用作紫外線屏蔽層或水凈化光催化劑的潛力。未來(lái)研究應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注太空增材制造設(shè)備與地球上制造的設(shè)備性能的比較，以及了解重力、打印參數(shù)和后處理對(duì)二氧化鈦泡沫薄膜性能的影響，以開(kāi)發(fā)高效和可持續(xù)的太空制造工藝，這對(duì)于長(zhǎng)期太空飛行和資源管理至關(guān)重要。