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1969年的阿波罗11号登月任务仅持续了8天。如果我们想在月球、火星甚至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度过更多的日子,数月或数年远离地球。那么问题就来了:如何在太空中维持长期生存和生活?从地球发射材料和物资成本太过高昂且不可持续,最好的办法仍然是就地取材。

过去的研究集中于如何在月球表面获取原材料用于建造房屋、道路等基础生活设施。现在3d打印技术的日益成熟帮助科研人员更深入一些,新的研究聚焦于在月球上3d打印各种设施的零部件或替换备件,原材料正是遍月都是的月球尘埃。

利用月球尘埃3d打印生活设施零部件

3d打印也就是增材制造技术,多年来已经频繁用于航空航天的科研项目,包括nasa向国际空间站iss发射了一台用于太空工况测试的3d打印机。而用于3d打印的原材料则多种多样,除了塑料、金属、陶瓷等之外,黏土也是其中的一种。另外3d打印还高度自动化、节省人力,并支持远程操控。从理论上来说完全可以在宇航员到达月球之前先发射3d打印机并制造基础设施或工具,一旦宇航员登月成功立刻利用月球上的设施开展工作。

用月球尘埃直接3d打印工具零件

当然也存在重大挑战。3d打印主要是为在地球上使用而开发的,其原理所依赖的重力和温度都与地表环境密切相关。而到了月球或火星上更复杂的环境之下,一切都还是未知数。

月球表面被风化层覆盖,这是一种松散的粉状材料,由数百万年的流星轰击月球表面而形成。我们可以把它理解为月球的土壤,由不到几毫米的细微颗粒组成。对于3d打印来说这种土壤就是天然形成的极佳原材料,辅以粘合剂、催化剂将能够打印出用途广泛的零件或设施。

月球表面的风化层

英国拉夫堡大学增材制造研究小组(amrg group)的thanos goulas博士发表了一篇名为《用月球尘埃3d打印》的论文。该小组成员一直在研究如何使用月球风化层来打印一系列工程组件。

thanos goulas博士发表论文《用月球尘埃3d打印》

详细的方案是,使用激光将非常少的能量转化为热量,利用热量融化并融合风化层的晶粒,形成薄而坚固的材料切片。多次重复此过程并按顺序层层叠加,最终可以构建一个三维对象。每层厚度不超过1毫米,因此更适合生产较小的、精确设计的工具,如灰尘或净水过滤装置,通常需要小于1微米(0.001毫米)的孔。如果重要部件损坏或磨损,那么3d打印将能够直接在月球上制造零件,从而大大减少从地球向月球的太空发射频次和重量。

thanos goulas博士专门从事增材制造方面的研究

目前的研究进展到材料领域,需要更好地了解材料及其与3d打印过程的相互作用,并设计新的技术解决方案以克服条件限制。下一步将是用真正的月球风化层测试3d打印。地球上现有的样本非常有限,但随着人类进入月球探索的新时代,也许很快就会有比较充足的月球尘埃样本,用于在地表研发月球3d打印技术的科研领域。

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