两个尖端3D打印项目将于2024年1月在国际空间站开展

2023年12月，国际空间站(ISS) 将在其即将执行的补给任务中再次接收 3D 打印实验，这表明该技术在太空探索中的作用日益增强。Northrop Grumman公司为NASA执行的第 20 次商业补给服务任务将于 2024 年 1 月 29 日之前搭乘猎鹰 9 号火箭从佛罗里达州卡纳维拉尔角太空部队站发射，将交付两个 3D 打印项目：3D 软骨细胞培养实验和欧洲航天局(ESA) 的金属 3D 打印机，这些项目凸显了3D打印技术在微重力中的创新应用及其彻底改变空间科学和探索的潜力。



ESA 的 3D 打印任务
此次任务中一个备受期待的项目是 ESA 的金属 3D 打印机，代表着太空自主半导体制造的重要一步。此外，这台打印机还将研究打印的金属形状在微重力下的表现与地球上生产金属的异同。从这次实验中获得的结论可能对于开发太空任务的新制造技术至关重要，包括月球或火星上未来潜在的栖息地。

ESA 的金属 3D 打印机项目与由 ESA 宇航员 Andreas Mogensen (摩根森)领导的 Huginn 任务密切相关，他还将监督其他欧洲科学实验的运行。该任务以北欧神话中象征思想的乌鸦 Huginn 命名，反映了摩根森从国际空间站收集和传播科学知识的目标。


△SpaceX Crew-7，Huginn 标志

摩根森将担任SpaceX Crew Dragon 的飞行员，成为第一位担任此职务的欧洲宇航员。在国际空间站停留期间，摩根森将监督 20 多项欧洲科学实验，包括监测金属物体的 3D 打印。金属3D打印机在独特的微重力条件下的成功运行和结果对于推进未来太空探索和居住的制造技术至关重要。该技术演示器可以彻底改变我们在太空中制造和维修工具和零件的方式。

太空新篇章
这台打印机将比较太空中膨胀和收缩的金属形状与地球上的金属形状。金属 3D 项目是由 ESA 领导、多个工业和学术合作伙伴共同努力的成果。空中客车公司（EPA：AIR）、意大利航空航天公司Highftech Engineering、法国金属 3D 打印领导者AddUp和克兰菲尔德大学是该项目的主要贡献者。



△用于国际空间站的金属 3D 打印机

●图卢兹的空客防务和航天团队负责管理该项目，负责集成打印机的组件和电源，并确保其与太空环境的兼容性。

●克兰菲尔德大学负责能源和材料输送机制，其中包括激光和不锈钢丝。

●Highftech Engineering 承担了制造机器外壳并集成其流体管理系统的任务。

●AddUp（法孚和米其林的合资企业）在创建打印机的内部结构和机制方面发挥了重要作用，包括控制打印机的 PLC（可编程逻辑控制器）以及与地面控制通信的接口。

尽管计划于 2024 年 1 月向国际空间站派遣打印机，但其未来的计划已经在进行中。

3D 软骨细胞培养
第二个值得注意的项目是 3D 软骨细胞培养，名为隔室软骨组织构建体。这是一项探索如何在微重力下保持健康软骨的生物实验。这项研究对于执行长期任务的宇航员至关重要，因为微重力会导致软骨退化。这项研究的影响是深远的，会带来治疗太空和地球上软骨损伤的新方法。这个开创性的项目是在康涅狄格大学(UConn) 生物医学工程教授陈宇鹏 (Yupeng Chen)的指导下开发的，他在推进治疗应用的组织研究方面发挥了重要作用。

该项目使用创新技术来生长软骨，即关节中的柔性组织。它采用特殊的多室组织工程结构（MTEC），就像一个用于生长软骨的迷你实验室。MTEC 系统旨在创造一个与软骨生长和保持健康所需的自然条件非常相似的环境。Chen的团队与美国宇航局签订合同，旨在利用国际空间站的微重力环境来制造生物材料，从而彻底改变地球上关节炎、癌症和神经系统疾病等疾病的治疗方法。

太空医学
MTEC 的核心有两个主要功能，首先是为软骨细胞的茁壮成长提供稳定的基础，这个基础至关重要，因为它模仿了人体的自然环境，使细胞能够正常生长。第二个功能涉及将必需的 RNA（核糖核酸）分子递送至软骨细胞，这些RNA分子在维持软骨健康方面发挥着关键作用。它们在太空中至关重要，因为太空中没有重力，这些细胞的平均生长和健康受到挑战。由Chen和他的团队领导的国际空间站实验将专注于制造新型生物材料，如 Janus 基础纳米材料 (JBN)，它们对于软骨等组织的再生至关重要。

Chen 说：“该项目将为一系列用于组织再生的受 DNA 启发的 Janus 基础纳米材料的太空制造策略制定路线图，在制造过程中利用微重力的优势有可能提供更有序的 JBN 结构，以实现更好的结构完整性和治疗效果。”


△Yupeng Chen和他的团队成员

展望未来，陈在康涅狄格大学的团队计划将他们有前途的研究扩展到国际空间站之外，旨在实现更多突破性的发展。他们与航空航天公司Axiom Space合作，探索太空中先进的生物制造工艺。这种伙伴关系可能会带来更复杂的微重力生物材料生产技术。Axiom 在航天运营方面的专业知识也可能为长期任务打开大门，在Axiom 的商业空间站上，该空间站的目标是在 2025 年底发射第一个模块。这些未来的努力旨在开拓太空制造的生物医学产品的商业化，有可能彻底改变地球上的医疗方法。

为什么这些项目很重要?
微重力下的 3D 打印具有许多优势，包括按需生产必要的工具和组件，以及减少对来自地球的大量货物运输的需求。多个 3D 打印实验已被发送到国际空间站，例如Redwire的生物制造设施(BFF)或零重力 3D 打印实验，这是第一台专为微重力设计的 3D 打印机，于 2014 年被带到国际空间站。

随着人类寻求前往月球和火星的深空任务，在太空中制造和维护重要部件和生物材料的能力将至关重要。即将到来的补给任务不仅仅意味着科学实验；这是迈向太空旅行更加安全、太空医疗更加先进、太空制造可能成为现实的未来的一步。这些实验还凸显了国际空间站作为开拓性研究中心的作用，为人类登月及开展更远地区的任务铺平了道路。