月尘3D打印或成未来月球生活的关键

来源：3D打印商情

阿波罗11号登月任务用了整整八天。如果人类想在月球上，甚至在火星上或更远的地方建立永久性基地，那么未来的宇航员将不得不在太空中待更多的日子，几个月甚至几年，在没有来自地球持续不断的供给的情况下。那么，人类如何获得所需的一切——用火箭发送所有设备和物资来建造和维护月球上的长期定居点将是非常昂贵的。

这就是3D打印可以利用的地方，从而使宇航员可以用原材料建造任何他们需要的月球殖民地。围绕太空进行3D打印的许多兴奋点都集中在使用3D打印从月球岩石上建造建筑物。但是我的研究表明，使用这种月尘为月球制造实验室提供各种设备的替换部件，可能更为实际一点。

3D打印在技术上称为增材制造，由复杂的技术组成，这些技术可以通过数字设计生产几乎任何形状或几何复杂性的物理产品。这项技术已经可以从包括金属、陶瓷和塑料在内的多种材料中制造出东西，其中一些可以用于制造太空级设备。

3D打印还具有在最少的人力参与下工作的额外好处。您可以将其设置为打印并等待成品。这意味着它甚至可以远程操作。从理论上讲，您可以在宇航员到达之前将3D打印机发送到月球（或任何其他太空目的地），甚至可以让它在宇航员到达之前开始制造结构。

当然，这存在重大挑战。3D打印主要是为在地球上使用而开发的，它依靠一定的恒定重力和温度水平来按设计进行操作。到目前为止，它使用的材料远不如在月球或火星表面上发现的材料复杂。

月球覆盖着疏松的粉状物质，由数以百万计的流星轰击月球表面形成。这已将基岩的表层慢慢转变为由直径小于几毫米的土壤状材料。从理论上讲，您可以使用regolith来进行增材制造，但对于3D打印房屋或更基本的组件（例如砖和水泥），您将需要来自地球的其他材料与regolith混合，例如液体粘合剂。

我和我的同事们一直在研究仅使用regolith 3D打印一系列工程组件的方法。我们的技术涉及使用激光将很少量的能量转化为热量，这些热量可以熔化并融合在一起，形成一片薄而坚实的物质。通过多次重复此过程并按顺序添加更多层，我们最终可以构建三维对象。

小型零件可以快速制造，而无需其他材料。（图片来源：Thanos Goulas）

每层的厚度不到1毫米，因此建造大型结构（如墙壁或完整的掩体）将花费不切实际的时间。相反，生产出体积较小的，经过精确设计的高度精细的物体，例如灰尘或滤水器，通常要好得多，这些物体通常需要小于微米（0.001毫米）的孔。3D打印对于复制重要零件特别有用，如果有损坏或磨损重要的零件，并且需要更快地更换，3D打印将比供应船从地球运送新零件的速度要快的多。

为了弄清楚如何使这种3D打印在太空中发挥作用，我们对材料和过程进行了深入的研究，并试图了解月球的状况会对它们产生怎样的影响。如果没有现成的硬质硅石的现成供应，我们使用的材料会模仿其大块的化学和矿物成分。它是在与流星轰炸完全不同的条件下形成的，但是它足够复杂，以至于我们无法研究它与激光的相互作用，并利用这些知识来估计regolith的实际反应。（文/拉诺伯勒大学增材制造研究组博士后研究助理Thanos Goulas）