月塵3D打印或成未來月球生活的關鍵

來源：3D打印商情

阿波羅11號登月任務用了整整八天。如果人類想在月球上，甚至在火星上或更遠的地方建立永久性基地，那么未來的宇航員將不得不在太空中待更多的日子，幾個月甚至幾年，在沒有來自地球持續(xù)不斷的供給的情況下。那么，人類如何獲得所需的一切——用火箭發(fā)送所有設備和物資來建造和維護月球上的長期定居點將是非常昂貴的。

這就是3D打印可以利用的地方，從而使宇航員可以用原材料建造任何他們需要的月球殖民地。圍繞太空進行3D打印的許多興奮點都集中在使用3D打印從月球巖石上建造建筑物。但是我的研究表明，使用這種月塵為月球制造實驗室提供各種設備的替換部件，可能更為實際一點。

3D打印在技術上稱為增材制造，由復雜的技術組成，這些技術可以通過數字設計生產幾乎任何形狀或幾何復雜性的物理產品。這項技術已經可以從包括金屬、陶瓷和塑料在內的多種材料中制造出東西，其中一些可以用于制造太空級設備。

3D打印還具有在最少的人力參與下工作的額外好處。您可以將其設置為打印并等待成品。這意味著它甚至可以遠程操作。從理論上講，您可以在宇航員到達之前將3D打印機發(fā)送到月球（或任何其他太空目的地），甚至可以讓它在宇航員到達之前開始制造結構。

當然，這存在重大挑戰(zhàn)。3D打印主要是為在地球上使用而開發(fā)的，它依靠一定的恒定重力和溫度水平來按設計進行操作。到目前為止，它使用的材料遠不如在月球或火星表面上發(fā)現的材料復雜。

月球覆蓋著疏松的粉狀物質，由數以百萬計的流星轟擊月球表面形成。這已將基巖的表層慢慢轉變?yōu)橛芍睆叫∮趲缀撩椎耐寥罓畈牧�。從理論上講，您可以使用regolith來進行增材制造，但對于3D打印房屋或更基本的組件（例如磚和水泥），您將需要來自地球的其他材料與regolith混合，例如液體粘合劑。

我和我的同事們一直在研究僅使用regolith 3D打印一系列工程組件的方法。我們的技術涉及使用激光將很少量的能量轉化為熱量，這些熱量可以熔化并融合在一起，形成一片薄而堅實的物質。通過多次重復此過程并按順序添加更多層，我們最終可以構建三維對象。

小型零件可以快速制造，而無需其他材料。（圖片來源：Thanos Goulas）

每層的厚度不到1毫米，因此建造大型結構（如墻壁或完整的掩體）將花費不切實際的時間。相反，生產出體積較小的，經過精確設計的高度精細的物體，例如灰塵或濾水器，通常要好得多，這些物體通常需要小于微米（0.001毫米）的孔。3D打印對于復制重要零件特別有用，如果有損壞或磨損重要的零件，并且需要更快地更換，3D打印將比供應船從地球運送新零件的速度要快的多。

為了弄清楚如何使這種3D打印在太空中發(fā)揮作用，我們對材料和過程進行了深入的研究，并試圖了解月球的狀況會對它們產生怎樣的影響。如果沒有現成的硬質硅石的現成供應，我們使用的材料會模仿其大塊的化學和礦物成分。它是在與流星轟炸完全不同的條件下形成的，但是它足夠復雜，以至于我們無法研究它與激光的相互作用，并利用這些知識來估計regolith的實際反應。（文/拉諾伯勒大學增材制造研究組博士后研究助理Thanos Goulas）