西弗吉尼亚大学探索微重力下的二氧化钛泡沫3D打印

2023年11月3日，南极熊获悉，西弗吉尼亚大学（WVU）表示，学生和教师正在研究如何利用3D打印技术支持宇宙飞船、月球和火星上的长期探索和居住。

△这项工作利用二氧化钛泡沫作为模型系统，探索了增材制造用于原位资源利用制造紫外线阻挡或光催化材料的潜力

该大学微重力研究团队的成员认为，3D打印是一种在现场制造关键材料和设备的方法，避免了从地球运输这些物品的需求。该团队最近的实验聚焦于失重微重力环境对使用二氧化钛泡沫进行3D打印的影响，这种泡沫材料具有从紫外线阻挡到水净化等潜在应用。

△工程专业本科生Renee Garneau正在研究一台3D打印机，该打印机专为在微重力或无重力条件下运行而定制

主要作者，西弗吉尼亚大学本杰明·M·斯塔特勒学院机械和航空航天工程博士生Jacob Cordonier说“航天器不能携带无限的资源，所以你必须维护和回收你所拥有的资源，而3D打印可以实现这一点。”

他补充道：“您可以只打印您需要的内容，从而减少浪费。我们的研究着眼于3D打印的二氧化钛泡沫，是否可以抵御外层空间的紫外线辐射并净化水，该研究还让我们了解重力在泡沫从3D打印机喷嘴中喷出并铺展到基材上的作用。我们已经看到，在微重力下打印时，细丝形状存在差异。通过改变打印过程中的其他变量，例如写入速度和挤出压力，我们能够更清晰地了解所有这些参数如何相互作用，以调整长丝的形状。”

共同作者包括现任和前任本科生Kyleigh Anderson、Ronan Butts、Ross O’Hara、Renee Garneau和Nathanael Wimer。机械与航空航天工程系名誉教授John Kuhlman和副教授兼研究副主任Konstantinos Sierros也对这篇论文做出了贡献。

△研究结果已在《ACS Applied Materials and Interfaces》杂志上发表，题目为“微重力下直接写入二氧化钛泡沫用于光催化应用”

微重力环境二氧化钛泡沫3D打印

自2016年以来，Sierros一直监管着西弗吉尼亚大学的微重力研究团队进行二氧化钛泡沫的研究。这项工作最初需要搭乘波音727飞机进行，在那里学生们将在飞机执行抛物线飞行时的失重状态下，在短短20秒的时间里将泡沫线打印到载玻片上。

Sierros说：“在太空中，即使是一公斤的材料的运输成本都非常高，而存储空间有限，因此我们正在研究所谓的‘就地资源利用。我们知道月球上存在与用于制造泡沫的二氧化钛非常相似的矿物质沉积物，因此我们的想法是不必将设备从地球运输到太空，因为我们可以在月球上开采这些资源并，使用它们来打印执行任务所需的设备。”

这些设备包括紫外线防护罩，因为紫外线对宇航员、电子设备和其他太空资产构成威胁。

Cordonier补充道：“在地球上，我们的大气层能够阻挡大部分紫外线，尽管不能完全挡住它，这就是为什么我们会被晒伤的原因。但在太空或月球上，除了宇航服、航天器或栖息地上的任何涂层之外，没有什么可以减轻紫外线的影响。”

为了测量二氧化钛泡沫阻挡紫外线的有效性，Sierros解释说：“我们将照射从紫外线波长到可见光谱的光。我们测量了有多少光穿过我们打印的二氧化钛泡沫薄膜，有多少光被反射回来，有多少光被样品吸收。我们展示了薄膜阻挡了几乎所有照射到样品上的紫外线，只有很少的可见光透过。即使薄膜厚度只有200微米，我们的材料也能有效阻挡紫外线辐射。”

Cordonier指出，这种泡沫还具有光催化特性，这意味着它可以利用光促进化学反应，从而实现净化空气或水等目的。

△对泡沫的各种性能和行为进行了表征。具体来说，200微米厚的泡沫层阻挡了99.8%的紫外线辐射

Sierros表示：“我们正在努力尽早将研究融入学生的职业生涯中。我们有一个专门从事硬件的学生小组，他们制造3D打印机。我们的学生负责材料开发、自动化和数据分析。受到美国宇航局的两项非常有竞争力的拨款支持，本科生参与了整个研究过程。他们发表了经过同行评审的科学文章，并在会议上发表了演讲，”

综合来看，这项研究展示了增材制造的二氧化钛泡沫在未来太空任务中可以用作紫外线屏蔽层或水净化光催化剂的潜力。未来研究应重点关注太空增材制造设备与地球上制造的设备性能的比较，以及了解重力、打印参数和后处理对二氧化钛泡沫薄膜性能的影响，以开发高效和可持续的太空制造工艺，这对于长期太空飞行和资源管理至关重要。