太空探索需要增材制造的6个原因

导读：随着科技的不断进步，人类与太空的关系同样发生了巨大变化。太空探索——曾经遥不可及的领域，已经成为当下的热门研究话题，并且关系到科技、工业、医学甚至旅游业的方方面面。

航天事业的蓬勃发展随之带来的是对更多卫星的需求、越来越频繁的太空任务、甚至未来月球基地的建立，这也为制造业带来了新的挑战。增材制造（AM）可能不是所有这些挑战的答案，但这项技术有很大的机会来帮助解决太空建设方面的需求。

本期南极熊文章分析了3D打印在太空旅行、研究和移民等空间应用上“大有可为”的6个方向，它们当中的有些可能会在未来亮相，有些现在就已经发生。

1. 将运载工具送入太空

随着太空飞行从一次性任务转向可重复应用，能够循环使用和更有效的运载工具开发是必要的。此外，航天器发射的频率和数量预计将继续增长。根据发言人Mike Curtis-Rouse（卫星应用中心的负责人）的说法，十年前全球只有12家发射公司，而今天有超过320家。这些公司和空间机构正越来越多地将推进器和发动机等复杂部件的生产转向增材制造，因为3D打印可以帮助减轻部件重量并提高性能。

LIA航空航天公司的首席执行官DanEtenberg介绍了他的公司是如何凭借增材制造技术创造出包含再生冷却功能的下一代火箭发动机的。他说，金属3D打印允许在缩小的空间内以紧凑的方式建造，除了减轻重量和提高燃料效率外，还能减少占地面积。

△像这个由Masten空间系统公司设计的燃烧室可以通过3D打印来减轻重量，并利用先进的材料--这里是一种金属基复合材料。

2. 制造在太空中使用的设备

卫星网络、轨道飞行器、漫游车等等都可以从增材制造中受益，而且这些设备的数量只会越来越多。Curtis-Rouse推测，在未来十年内，将有三到四个商业空间站加入国际空间站的轨道，并指出总部设在英国的空间能源协议公司正在努力开始研究一个轨道太阳能发电厂，该发电厂将以微波形式向地球发送能量。3D打印部件已经存在于火星上的毅力号探测器和各种卫星等系统中，在看到增材制造可以提供复杂的几何形状或克服更大的制造挑战后，预计会有更多的部件转向AM。增材制造材料的特殊特性，如静电消散（ESD）特性和耐热特性，对这些项目也很重要。

△美国宇航局的猎户座航天器，卫星、太阳能工厂和上图展示的猎户座飞船一类的交通工具将受益于增材制造部件。图片来源：美国国家航空航天局

3. 生产零部件

美国宇航局科技办公室副主任、主要发言人R.G Clinton描述了目前通过备件维护国际空间站所面临的挑战：在任何时候，国际空间站和地球上都储存有成千上万的备件，但只有一小部分被使用过。在太空中使用3D打印作为一种制造能力将有助于缓解备件带来的供应链和库存挑战，宇航员可以在原地打印这些部件可以减少浪费并简化物流。

“太空制造”成功地展示了在太空中用零重力打印机进行聚合物的3D打印，这是2014年在国际空间站上挤压式3D打印机的使用案例。最近的项目集中于其他材料的3D打印，如陶瓷和金属，甚至使用结合3D打印和数控加工的混合系统。能够在太空中3D打印工具、替换零件等，将是实现更长时间的太空任务和进一步探索的关键。

△图中显示的棘轮扳手是2014年在国际空间站上根据从地球发送的设计文件3D打印的，其他工具和备件将来也可以在太空中制造。图片来源：美国国家航空航天局

4. 为地球制造产品

增材制造另一个令人信服的潜力是它可以进行在轨制造（IOM），以制造今天在地球上难以或无法制造的物品。Curtis-Rouse描述了为海底电缆生产光纤的挑战：虽然在地球上可以生产这些光纤，但它们的长度是有限的，而且冷却速度会产生气泡，从而带来延迟。当在微重力下生产时，光学器件几乎是半透明的，可以很容易地使其变长。其他行业，如半导体和药品，也可以从微重力下的生产中受益。掌握微重力下3D打印的力学原理，可以扩大增材制造的能力，使其用于这些应用。此外，存在3D打印技术本身的某些固有缺陷，如对支撑结构的需求，甚至可能通过在外太空轨道上打印而得到解决。

5. 建造栖息地和基础设施

地外设施的建设是一个不可忽视的方向，NASA的Artemis计划是在月球表面建立一个基地，其中除了栖息地和后来的生产设施，如温室、炼油厂和发电厂，还包括发射台和道路等基础设施，而3D打印将是完成这些建筑蓝图不可或缺的重要一部分。由于将建筑材料运送到太空的成本很高，从月球到火星的行星自主建造技术或MMPACT项目（克林顿是该项目的主要研究者）正在探索使用月球的泥灰作为建筑材料，结合来自地球的粘合剂，对这些结构进行3D打印。使用这种原料的机器人3D打印系统将允许在月球表面自主建造，不会产生浪费，并实现了就地取材。

△MMPACT项目的合作伙伴之一ICON公司展示的月球上3D打印栖息地的概念图。图片来源：ICON

6. 装备栖息地

正如克林顿描述的那样，MMPACT项目还在探索3D打印制造月球装备，甚至“把房子变成家园"的可能性。在月球上或其他地方建造的栖息地、温室、实验室和其他结构将不仅仅是有墙壁、地板和屋顶就够了。还需要额外的物品，如家具、工具、传感器和实验室设备，以使这些结构具有功能性和宜居性。与其从地球上运输椅子、氧气传感器和工作台等物品，不如应用3D打印技术在现场生产这些物品，甚至可能使用月球岩石或从退役运载火箭或其他设备回收的材料。