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太空3D打印离我们有多远?

2022-09-28 10:36     来源:科普中国     3D打印

3D打印技术,又称增材制造,是一种以数字模型文件为基础,运用粉末颗粒状无机或有机等可黏合材料,通过逐层打印的方式来构造物体的技术。伴随着人类探索外太空步伐的加快,3D打印技术非常适合实现从简单到复杂,从无到有的太空制造过程。

太空3D打印能做什么?

太空3D打印主要解决两个方面的问题:

(1)在飞行过程中帮助运行和维护太空飞船。主要包括:为航天器在空间制造替换零件,拓展航天器的寿命,节约重复发射成本;材料的太空循环利用,可直接利用老化和废旧材料进行回炉再制造,不必耗费新材料,甚至可以利用太空垃圾制造零件,节约成本并且环保;在空间制造地面难以发射的超大尺寸部件光学镜头。

(2)建立适合人类生存的太空基地。当人类到达新的星球的时候,衣食住行都要解决。首先解决住的问题,可以就地取材打印适合人类居住的房屋,房屋结构需要具有保温功能,并可抵挡微小流体攻击和宇宙射线辐射。再就是考虑吃饭问题,打印适合植物生长的阳光房,以种植粮食。最后就是打印人类可以相互走访联系的交通工具等等。

太空3D打印主要存在的难点在哪里?

在太空中进行3D打印绝对不容易,航天器在轨飞行时,会受到地球引力之外多种作用的干扰,如大气阻力、太阳辐射光、重力梯度效应、轨道机动、姿态控制、设备运转和乘员活动等,从而达不到完全“失重”状态,而是一种“微重力”环境。

同样,在新的星球建造太空基地,则主要考虑真空或者大气环境、太阳辐射、引力大小等等因素,例如:月球的重力只有地球的1/6,为真空环境;火星的重力为地球的2/5,主要为二氧化碳气体。

虽然3D打印机的基本设计保持不变,但微重力和气氛环境需要特殊考虑,因此目前在地球上大多数3D打印设备是否适合在微重力不同气氛条件下的打印过程需要重新调查研究,在早期条件不完善不完美的境况下,尽可能将3D打印设备设计的更为简单,要求尽可能降低。

哪些方法适合太空3D打印?

3D打印过程无非就是将含有固液的微滴黏合组合成我们想要的三维立体材料。3D打印方法有很多(图2),但并不是所有方法都适合太空3D打印。在空间站和航天器外面的真空微重力条件下,哪些材料可以进行3D打印一目了然。

在尽可能降低打印条件要求的前提下,过程中含有液体的基本可以排除,因为液体在真空低蒸气压条件下很容易沸腾蒸发,特别是在微重力条件下,很难保持原有的形态,因此一些浆料打印方法可行性较低,例如含有液体的光固化打印方法(SLA)。

还有就是要求有粉体参与的打印方法,在真空微重力环境下,粉体无重力作用很难铺展开来,容易到处飞舞,在太空难以控制如此多的微小目标,在这种要求下,选区激光熔融(SLM)和烧结(SLS)打印方法、电子束熔融和烧结打印方法、黏结剂喷射打印方法(BJ)基本都可以排除在外。

各种3D打印方法示意图(图片来源:参考文献[1] )

国际上普遍采用丝状材料作为太空制造的主要材料形态,其主要采用熔融沉积的方法(FDM)去实现太空3D打印,基本原理为加热头把热熔性材料加热到临界状态,使其呈现半流体状态而不是液体状态,然后加热头会在软件控制下沿CAD 确定的二维几何轨迹运动,同时喷头将半流动状态的材料挤压出来,材料瞬时凝固形成有轮廓形状的薄层(图3)。

从这个打印特征来看,整个方法过程中不会有液体和粉体出现,原料在加热条件下变为半流体固态状态,而加热主要为电阻丝加热,而不是激光加热或者电子束加热等要求比较苛刻的加热方式。这种方法最为简单可行。

FDM打印原理和打印设备(图片来源:左图维基百科,右图veer图库)

2020年5月7日,中国首次开展轨道3D打印试验,也是全球首次实现连续碳纤维增强复合材料的太空3D打印(图4)。所采用的技术就是熔融沉积(FDM)3D打印技术,所采用的原料是树脂基连续碳纤维增强复合材料,这种材料在加热的条件下,树脂塑料熔化成半流体状态,遇冷即可黏合在一起,得到想要的复杂结构件。

中国首次太空3D打印连续碳纤维复合材料(图片来源:中国空间技术研究院)

人类建立太空基地的探索

在星球建造太空基地,因为有一定重力条件,粉体的打印相对有一定的可行性,在具备封闭的气氛条件下,液体的打印也可以完成,月球和火星具有创造这样环境的条件。

欧洲航天局与阿尔塔SPA、Monolite有限公司、福斯特建筑事务所和圣安娜高等研究学院组成的工业协会采用D-Shape的黏结剂喷射3D打印技术(图5)评估了在月球建造基地的可行性[2]。

他们首先模拟建立了一个环境温度为20℃、真空度在2KPa的封闭环境,并且通过理论计算在此条件下只要控制直径200μm以下黏结剂(墨水)液滴喷射在月球土壤层(73%的粒径小于150μm,81%的粒径小于250μm)上,液滴则不会蒸发,并且能够保持足够长时间的液体状态来让月壤形成网状结构。最后实践用类月壤火山灰打印了构件,经过测试,结果非常好,其具有与混凝土一样的低孔隙率,相容硬度也非常好。

D-Shape 打印的建筑(6m×6m×6m)(图片来源:参考文献[3])

我国在利用3D打印技术模拟建造月球基地方面也进行了探索。2021年,科技部将“轻量化可重构月面建造方法研究”列入重点研发计划,成为“工程科学与综合交叉”的重点专项。

华中科技大学成为该项目的首席科学家单位,他们把中国在月球上建造的月面基地样式定名为“月壶尊”,这是一个外形酷似鸡蛋壳的建筑。计划用月壤烧出月球砖,再用“月蜘蛛”的机器人砌筑[4],3D打印模型“月壶尊”。

从外面看,它像是一个放大的鸡蛋壳竖立在地面。作为建筑物,“月壶尊”里面并没有承重的“四梁八柱”,蛋壳顶端是穹顶结构,蛋壳体分内外两层,中间夹一层类似于肋骨的结构,以增强稳定性。

该团队将中国传统制砖砌筑的建造方式与3D打印建造方式相结合,采用整体预制拼装、局部打印连接的方式设计建造月面基地,提出利用机器人机械臂上的高能束(太阳能或者激光)熔融烧结月壤,铺一层月壤并熔融一次烧结出带有榫卯结构的月球砖,再通过机器人将月球砖拼装建造。整个过程通过烧结月球砖避免了一次性3D打印成型的风险,然后由机器人砌筑并同时用3D打印加强连接来完成结构避免结构变形。目前他们已制备出国内首个模拟月壤真空烧结打印样品,实现了从“0”到“1”的重大突破。

“月壶尊”月面基地效果图(图片来源:国家数字建造技术创新中心)

人类太空打印月球基地的计划

NASA(美国国家航空航天局)将在阿尔忒弥斯计划中启用3D打印技术,他们将在月球南极称之为“永恒之光”的山峰(该地点靠近火山口边缘,是太阳辐射无处不在的地方,并且太阳入射角很低,可为太阳能收集提供长时间照明,永久阴影的火山口区域还有利于水的收集。)3D打印一个基地LINA(Lunar Infrastructure Asset)(图7),为宇航员和机器人提供一个生活和工作场所。

它将由3个单元组成,每个单元75平方米,并由一个90平方米的公共庭院分隔,并集成一棵光伏树,以直接捕获和收获太阳能,。它的跨度为8米×9.4米,高度为5米,可以保护宇航员免受辐射、月球地震、极端热变化、陨石的影响,设计寿命至少50年。目前第一个原型正在肯尼迪航天中心建造,3D打印材料则根据BP-1月球模拟物配制而成,由NASA的颗粒力学和风化层操作实验室合成,他们还将模拟月球的环境进行测试验证,温度范围从-170到70℃[5]。

NASA计划在2028年执行这项任务,他们希望这将使他们有新的科学、技术发现,以建立月球经济,重要的是探索火星,同时保持人类长时间的存在。美国宇航局的目标是在2028年出发执行这项任务,他们希望这个项目可以整合最新的科学、技术成果,以建立常态化的月球基地,实现人类长时间在太空活动的可能,并为人类登录火星做准备。


3D打印LINA月球前哨基地想象图(图片来源:AI SpaceFactory)

我国有着更加宏伟的计划,那就是在实现载人登月之后,也将建造国际月球科研站。2021年3月份,我国和俄罗斯正式签署了合作备忘录,联手建造月球基地。目前来看,月球南极将是建造月球基地的最佳选址。只有建造了月球基地,人类才有望获得月球上最重要的资源——氦-3,如果利用它进行可控核聚变,其能源足够人类用1万年以上!而且,月球表面的重力只有地球的1/6,未来在这里发射火箭,我们的航天器将会飞得更远!

结语

太空3D打印离我们到底有多远?这个问题的答案是,它触手可及。太空3D打印的不断发展,将使曾经存在于科幻电影中的月球基地成为现实,而我国也必将在不远的未来使用这一技术实现更多曾经不可能的科学想象。

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