科學家3D打印水凝膠“以水為盾”，保護宇航員免受太空輻射

導讀：在太空環(huán)境中，宇航員面臨著巨大的宇宙輻射威脅，這種輻射量在一天內幾乎相當于地球人一年所受的輻射?？茖W家們對此表示擔憂，尤其是針對未來的火星任務，輻射的風險仍然存在很大的不確定性。

2025年2月25日，南極熊獲悉，為了解決這一挑戰(zhàn)，歐洲航天局(ESA)正在研究更輕便且有效的輻射防護材料。其中，比利時根特大學的研究團隊提出了一種創(chuàng)新的解決方案：利用3D打印技術制造水凝膠“防護罩”，這種材料不僅能有效吸收輻射，還能儲存水，成為宇航員的雙重保護屏障。

△太空風險：輻射。圖片由 ESA 提供。

為什么是水？

盡管水在對抗宇宙輻射的斗爭中似乎“不太可能成為英雄”，但它卻是完成這項工作的最佳天然材料之一。水密度高，充滿氫原子。據研究人員稱，這些氫原子非常善于與高能粒子相互作用，減慢它們的速度，并減少它們的有害影響。基本上，水就像一塊輻射海綿，吸收了原本會傷害宇航員的危險能量。

然而，使用水作為輻射屏蔽并不像隨身攜帶一個大水箱那么容易。事實上，由于水在液態(tài)下可以自由流動，試圖將其裝入宇航服或航天器中可能會導致容器體積過大，難以移動。此外，如果水沒有完全分散，甚至在容器被刺破時泄漏，那將是一個問題。在每一盎司都很重要、泄漏可能對宇航服和宇宙飛船中的關鍵系統(tǒng)造成災難的環(huán)境中，研究人員不得不想出另一種方法來解決這個障礙。

這項技術的突破是水凝膠，它是由高吸水性聚合物(SAP) 吸收水分并膨脹成凝膠狀物質而形成的。SAP 用于尿布或隱形眼鏡等常見物品，它們可以吸收和保留大量液體而不會泄漏。

根特大學聚合物化學和生物材料小組的研究人員由 Peter Dubruel 教授領導，他們希望將這項技術帶入太空。借助 3D 打印技術，他們可以將這些水凝膠塑造成輻射防護所需的幾乎任何形狀。無論是可以貼在宇航服上的貼片，還是襯在航天器壁上的面板，3D 打印都可以實現自定義幾何形狀。

研究人員之一、博士后研究員 Lenny Van Daele 解釋說：“這個項目的神奇之處在于，我們采用的是一項眾所周知的技術。我們每天使用的許多東西中都有水凝膠的蹤跡。我們的研究小組在醫(yī)學領域的應用方面擁有豐富的經驗——使用水凝膠作為柔軟的可植入材料來修復受損的組織和器官?！?/div>

水凝膠的一大優(yōu)勢是它們能將水固定在原處，而不是讓其自由流動。水被鎖在材料結構內，均勻分布，從而提供持續(xù)的輻射防護。即使水凝膠貼片被刺破，水也不會立即漏出。這一內置安全功能讓宇航員有更多時間做出反應并解決問題。

歐空局材料、環(huán)境和污染控制部門的材料和工藝工程師 MalgorzataHolynska 補充道：“一旦我們優(yōu)化了從水凝膠中回收水的方法，這種材料還可以應用于無人任務——用于航天器的輻射防護屏或作為水庫?！?/div>

這意味著水凝膠可以同時完成兩項工作：保護宇航員免受輻射并儲存水，這對于長期任務來說極為有價值。

根特大學博士后助理 Manon Minsart 指出了另一個好處：“我們使用的超吸水聚合物可以使用多種不同的技術進行加工，這在聚合物中是一種罕見且有利的品質。我們選擇的方法是 3D 打印，它使我們能夠制造出幾乎任何形狀的水凝膠。

向未來太空任務邁進

隨著人類登陸火星及更遠太空任務的推進，對輕質有效輻射屏蔽的需求愈發(fā)重要。美國國家航空航天局、歐洲航天局和其他航天機構必須在輻射防護和重量限制之間取得平衡，因為更重的屏蔽會增加發(fā)射成本和燃料使用。鋁和聚乙烯等傳統(tǒng)材料雖然能提供一定的防護，但會增加相當多的重量。

多年來，工程師們一直在探索使用更輕的替代品的好處，例如先進的聚合物、多層屏蔽，甚至使用月球或火星上的當地材料，以保證宇航員和設備的安全，同時又不會使航天器過重。同時，水凝膠提供了一種輕質的替代品，可以使用 3D 打印制成不同的形狀和尺寸。

Dubruel 總結了他們的任務目標：“我們一直在尋找輕質防輻射材料。在我們的發(fā)現活動中，我們成功證明了水凝膠在太空條件下使用是安全的。在這個后續(xù)項目中，我們正在應用不同的技術將材料塑造成 3D 結構并擴大生產過程，以便我們能夠更接近工業(yè)化?！?/div>

△太空輻射。圖片由 ESA 提供。

水凝膠最終可能會成為太空中的強大盟友。在核反應堆和醫(yī)院中，水已經被用來屏蔽輻射。這里的創(chuàng)新在于水的儲存方式。通過將水 3D 打印成固體結構，科學家可以利用其屏蔽能力，而無需在太空中解決儲存或泄漏問題。

未來之路依舊艱辛

從實驗室到實際應用的旅程從來都不容易。雖然 3D 打印水凝膠在防輻射方面的初步測試很有希望，但仍有更多工作要做。研究人員必須改進從水凝膠中回收水的方法，完善 3D 打印工藝以實現大規(guī)模生產，并在不同的空間條件下測試材料。

根特大學的團隊正在實驗室中積極開展水凝膠打印實驗，這證實了這項研究已經超越了理論，進入了現實世界的發(fā)展。目前，研究團隊已經用水凝膠打印出了航天飛機和月球上的宇航員的形象，但他們的目標要大得多。他們正在使用 3D 打印技術塑造可用于宇航員服、航天器和火星太空棲息地的水凝膠防護罩。這種方法使防護罩具有靈活性和適應性，表明 3D 打印是讓這些水凝膠在太空中發(fā)揮作用的關鍵。

△3D 打印水凝膠航天飛機和月球上的宇航員。圖片由 ESA/Johan Dubruel 提供。

這項研究是根特大學一個更大項目的一部分，科學家自 2006 年以來一直致力于研究醫(yī)用聚合物。他們在醫(yī)療保健領域使用水凝膠的經驗正在幫助他們開發(fā)太空輻射防護罩。

ESA 支持這項工作，包括合作和積極資助研究。借助 3D 打印水凝膠，根特大學的研究人員正在為更安全的太空旅行鋪平道路，為未來的任務提供清晰的路徑，在這些任務中，水可以幫助抵御不可避免的宇宙輻射。