兩個尖端3D打印項目將于2024年1月在國際空間站開展

2023年12月，國際空間站(ISS) 將在其即將執(zhí)行的補給任務中再次接收 3D 打印實驗，這表明該技術(shù)在太空探索中的作用日益增強。Northrop Grumman公司為NASA執(zhí)行的第 20 次商業(yè)補給服務任務將于 2024 年 1 月 29 日之前搭乘獵鷹 9 號火箭從佛羅里達州卡納維拉爾角太空部隊站發(fā)射，將交付兩個 3D 打印項目：3D 軟骨細胞培養(yǎng)實驗和歐洲航天局(ESA) 的金屬 3D 打印機，這些項目凸顯了3D打印技術(shù)在微重力中的創(chuàng)新應用及其徹底改變空間科學和探索的潛力。



ESA 的 3D 打印任務
此次任務中一個備受期待的項目是 ESA 的金屬 3D 打印機，代表著太空自主半導體制造的重要一步。此外，這臺打印機還將研究打印的金屬形狀在微重力下的表現(xiàn)與地球上生產(chǎn)金屬的異同。從這次實驗中獲得的結(jié)論可能對于開發(fā)太空任務的新制造技術(shù)至關(guān)重要，包括月球或火星上未來潛在的棲息地。

ESA 的金屬 3D 打印機項目與由 ESA 宇航員 Andreas Mogensen (摩根森)領(lǐng)導的 Huginn 任務密切相關(guān)，他還將監(jiān)督其他歐洲科學實驗的運行。該任務以北歐神話中象征思想的烏鴉 Huginn 命名，反映了摩根森從國際空間站收集和傳播科學知識的目標。


△SpaceX Crew-7，Huginn 標志

摩根森將擔任SpaceX Crew Dragon 的飛行員，成為第一位擔任此職務的歐洲宇航員。在國際空間站停留期間，摩根森將監(jiān)督 20 多項歐洲科學實驗，包括監(jiān)測金屬物體的 3D 打印。金屬3D打印機在獨特的微重力條件下的成功運行和結(jié)果對于推進未來太空探索和居住的制造技術(shù)至關(guān)重要。該技術(shù)演示器可以徹底改變我們在太空中制造和維修工具和零件的方式。

太空新篇章
這臺打印機將比較太空中膨脹和收縮的金屬形狀與地球上的金屬形狀。金屬 3D 項目是由 ESA 領(lǐng)導、多個工業(yè)和學術(shù)合作伙伴共同努力的成果�？罩锌蛙嚬�司（EPA：AIR）、意大利航空航天公司Highftech Engineering、法國金屬 3D 打印領(lǐng)導者AddUp和克蘭菲爾德大學是該項目的主要貢獻者。



△用于國際空間站的金屬 3D 打印機

●圖盧茲的空客防務和航天團隊負責管理該項目，負責集成打印機的組件和電源，并確保其與太空環(huán)境的兼容性。

●克蘭菲爾德大學負責能源和材料輸送機制，其中包括激光和不銹鋼絲。

●Highftech Engineering 承擔了制造機器外殼并集成其流體管理系統(tǒng)的任務。

●AddUp（法孚和米其林的合資企業(yè)）在創(chuàng)建打印機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和機制方面發(fā)揮了重要作用，包括控制打印機的 PLC（可編程邏輯控制器）以及與地面控制通信的接口。

盡管計劃于 2024 年 1 月向國際空間站派遣打印機，但其未來的計劃已經(jīng)在進行中。

3D 軟骨細胞培養(yǎng)
第二個值得注意的項目是 3D 軟骨細胞培養(yǎng)，名為隔室軟骨組織構(gòu)建體。這是一項探索如何在微重力下保持健康軟骨的生物實驗。這項研究對于執(zhí)行長期任務的宇航員至關(guān)重要，因為微重力會導致軟骨退化。這項研究的影響是深遠的，會帶來治療太空和地球上軟骨損傷的新方法。這個開創(chuàng)性的項目是在康涅狄格大學(UConn) 生物醫(yī)學工程教授陳宇鵬 (Yupeng Chen)的指導下開發(fā)的，他在推進治療應用的組織研究方面發(fā)揮了重要作用。

該項目使用創(chuàng)新技術(shù)來生長軟骨，即關(guān)節(jié)中的柔性組織。它采用特殊的多室組織工程結(jié)構(gòu)（MTEC），就像一個用于生長軟骨的迷你實驗室。MTEC 系統(tǒng)旨在創(chuàng)造一個與軟骨生長和保持健康所需的自然條件非常相似的環(huán)境。Chen的團隊與美國宇航局簽訂合同，旨在利用國際空間站的微重力環(huán)境來制造生物材料，從而徹底改變地球上關(guān)節(jié)炎、癌癥和神經(jīng)系統(tǒng)疾病等疾病的治療方法。

太空醫(yī)學
MTEC 的核心有兩個主要功能，首先是為軟骨細胞的茁壯成長提供穩(wěn)定的基礎，這個基礎至關(guān)重要，因為它模仿了人體的自然環(huán)境，使細胞能夠正常生長。第二個功能涉及將必需的 RNA（核糖核酸）分子遞送至軟骨細胞，這些RNA分子在維持軟骨健康方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用。它們在太空中至關(guān)重要，因為太空中沒有重力，這些細胞的平均生長和健康受到挑戰(zhàn)。由Chen和他的團隊領(lǐng)導的國際空間站實驗將專注于制造新型生物材料，如 Janus 基礎納米材料 (JBN)，它們對于軟骨等組織的再生至關(guān)重要。

Chen 說：“該項目將為一系列用于組織再生的受 DNA 啟發(fā)的 Janus 基礎納米材料的太空制造策略制定路線圖，在制造過程中利用微重力的優(yōu)勢有可能提供更有序的 JBN 結(jié)構(gòu)，以實現(xiàn)更好的結(jié)構(gòu)完整性和治療效果�！�


△Yupeng Chen和他的團隊成員

展望未來，陳在康涅狄格大學的團隊計劃將他們有前途的研究擴展到國際空間站之外，旨在實現(xiàn)更多突破性的發(fā)展。他們與航空航天公司Axiom Space合作，探索太空中先進的生物制造工藝。這種伙伴關(guān)系可能會帶來更復雜的微重力生物材料生產(chǎn)技術(shù)。Axiom 在航天運營方面的專業(yè)知識也可能為長期任務打開大門，在Axiom 的商業(yè)空間站上，該空間站的目標是在 2025 年底發(fā)射第一個模塊。這些未來的努力旨在開拓太空制造的生物醫(yī)學產(chǎn)品的商業(yè)化，有可能徹底改變地球上的醫(yī)療方法。

為什么這些項目很重要?
微重力下的 3D 打印具有許多優(yōu)勢，包括按需生產(chǎn)必要的工具和組件，以及減少對來自地球的大量貨物運輸?shù)男枨�。多個 3D 打印實驗已被發(fā)送到國際空間站，例如Redwire的生物制造設施(BFF)或零重力 3D 打印實驗，這是第一臺專為微重力設計的 3D 打印機，于 2014 年被帶到國際空間站。

隨著人類尋求前往月球和火星的深空任務，在太空中制造和維護重要部件和生物材料的能力將至關(guān)重要。即將到來的補給任務不僅僅意味著科學實驗；這是邁向太空旅行更加安全、太空醫(yī)療更加先進、太空制造可能成為現(xiàn)實的未來的一步。這些實驗還凸顯了國際空間站作為開拓性研究中心的作用，為人類登月及開展更遠地區(qū)的任務鋪平了道路。