3D打印技术帮助人类走出地球,建立外星基地

3D打印资讯
2021
04/30
09:09
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南极熊导读:如果说第一次太空竞赛的高潮是美国宇航员的月球行走,那么第二次太空竞赛就是在月球上建造出一座建筑物。在太空中凭借 3D 打印技术构建地外建筑物,一直以来就是众多科学家们热议的话题。回归到技术本身,3D 打印是否真的有可能带人类走出地球?
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△中国空间站和核心舱在我国文昌航天发射场发射升空,新华社记者 周佳谊 摄

2021 年 4 月 29 日 11 时 23 分,中国空间站和核心舱在我国文昌航天发射场发射升空,准确进入预定轨道,中国空间站在轨组装建造全面展开,发射任务圆满成功,这也标志着我国距离成功建设地外生存空间又近了一步。中华民族一直是一个敢于逐梦,从万户点燃座椅下的引信那一刻,到跨越几百年后如的“嫦娥”、“天宫“、”天问“…我们有着同一颗向往宇宙的求索之心,不过今时今日的我们更幸运地是有了更多可以仰赖的先进技术。

关于 3D 打印在太空中的应用,早在 2014 年就有报道称瑞士 RUAG 航天公司使用 3D打印的部件制造卫星,从而使他们更轻、更便宜。卫星的 3D 打印部件由德国 EOS 公司完成,最终的 3D 打印部件质量仅为过去部件质量的一半,并且具有良好的刚度。该公司正在研究下一步太空应用工艺,有可能用 3D 打印技术制造整个卫星结构件,这就意味着目前必须单独制造的电气线束、反射镜、加热管和其他部件以后可集成制造。
下面,南极熊从“在地球上3D打印制造火箭升空→在空间站中3D打印零件→在火星或月球上3D打印建造基地”这么一个思路来聊聊,3D打印技术是怎么样帮助人类走出地球的。

在地球上的3D打印


△Relativity Space HQ的Stargate 金属3D打印机

目前 3D 打印技术,也已经开始被应用于火箭的制造行业。据有学者讲述,将人类送去探索其他星球的最大障碍,不是科技,而是成本。而 3D 打印这种简单、省钱的方法就自然地出现在了科研者的视界中。轨道发射公司 Relativity Space 的研发团队曾设计了一台近两层楼高的 3D 金属打印机 Stargate,它是目前世界上最大的用以制造火箭的打印机。这台打印机系统装有多个打印头,每个臂都装有激光器,它还配备了质量控制系统,包括云模拟、先进成像和检测传感器等,并采用智能学习技术,这些设计让系统在打印结束后能进行自动化组装。
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△3D打印的Relativity Space Aeon发动机点火

研发团队表示正在用 Stargate 打印 Aeon 1 火箭引擎,还表示 20 天就能制造这样一台引擎。相比于通常有数千个零件的发动机,Aeon1 只有 100 个零件,他们还将打印运载火箭 Terran 1。如果顺利,这将是目前世界上第一台完全由 3D 打印出来的火箭。他的零件比传统火箭少 100 倍。另外,相比传统制造所需的 12-18 个月,据介绍 Stargate 能在 69 天之内就可以将原材料变成能上天的运载工具。

3D 打印技术,除了能让发射成本降低,也能更灵活的满足定制需求。比如客户可以根据不同的载荷,调整整流罩的尺寸等。目前该企业正在筹集资金以完成 Terran 1 的研制和最终的发射工作。但同时,Terran 首飞已经从 2020 年底推迟到了 2021 年初,部分原因在于,公司将 2 米宽的整流罩增加了 3 米,载荷容量也因此增加了一倍。


在空间站的3D打印


2020年12月,总部位于佛罗里达州的Made In Space太空制造公司,在太空轨道上制造了第一个陶瓷零件,并在国际空间站(ISS)上3D打印了单件涡轮“叶盘”

△在空间站上3D打印的其他陶瓷零件

由于减少了重力引起的缺陷(例如沉降和成分梯度),在微重力下制造涡轮部件可能会产生具有更好性能的零件,包括更高的强度和更低的残余应力。这项技术证明了空间站潜在的独特制造能力,可以提高国际空间站的商业利用率。

在月球火星的3D打印

然后,3D 打印的火箭成功登录月球或是火星了,就可以利用 3D 打印机在上面打印房子汽车,乃至是各种现代科技产品,为人类未来可能的新家进行建设。在太空 3D 打印这一领域,已有两个机构成功竞得赞助权,以研究在月球和火星上进行建筑 3D 打印的潜力。其中之一便是欧洲航天局,他们利用 D-Shape 工艺在月球上进行建筑 3D 打印。这是一种使用光固化技术的大型 3D打印机,其逐层的打印工艺可将沙子与无机粘合剂结合在一起,创造出类似石头般的物质。该研究团队是由 D-Shape 工艺的发明者、工程师恩里科·迪尼(Enrico Dini)、福斯特建筑事务所的建筑师、太空顾问阿尔塔公司(Alta SpA)以及圣安娜高等研究院机器人实验室(PERCRO)的科学家们组成。
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另一个机构是美国国家航空航天局,他们计划利用轮廓成型工艺(Contour Crafting)在月球和火星上进行建筑 3D 打印。这是一种层积打印技术,可以通过计算机控制的喷嘴挤出混凝土进行打印。该研究团队全部由来自于南加州大学(USC)的研究学者组成,其中包括轮廓成型工艺的发明者比赫洛克·霍什内维斯(Behrokh Khoshnevis)、建筑师尼尔·里奇、结构工程师安德尔斯 ·卡尔森(Anders Carlson)以及太空建筑师马杜·唐加卢(MadhuThangavelu)。

与传统工艺相比,增材制造具有很多优势:制造的金属或塑料部件更轻,制造周期更短和成本更低。减重在航天工业是决定因素,传统的机械连接方式动辄上千个零件,不但工艺繁琐,配备零件的重量增加也给设备本身带来了不稳定因素,3D 打印的一体化成型则可以很大程度上减小甚至避免这种问题产生。因为航天器越轻,升空成本就越低,这也决定了 3D打印技术将在航天具有广阔的应用前景。另一方面,3D 打印在零部件制造方面具有可观的优势,毕竟在太空中按需打印当然要比随船运送或由补给船运送更好。

人类的征途终将是星辰大海,那里一切神秘,未来也终将一一解答。也许真的有那么一天,人类会在地球以外的新的家园,向外星人科普 3D 打印的美妙之处。试想一下吧,在遥远的不可知之地,我们站在 3D 打印技术造就的高楼之下,打开了手中的“南极熊3D打印”APP,向我们的外星朋友介绍着我们是如何利用 3D 打印技术建造出这么宏伟的建筑,多美啊!是吧?
南极熊有个心愿:可以去火星或者月球上生活,坐在基地的屋顶上,远看地球的阴晴圆缺。你愿意和我一起吗?







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