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(nèi)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(shù)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(jù)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(guān)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(shù)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(zhì)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(lǐng)導，他們希望將這項技術(shù)帶入太空。借助 3D 打印技術(shù)，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(xiàn)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(shù)。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(lǐng)域的應用方面擁有豐富的經(jīng)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�！�

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(jié)構(gòu)內(nèi)，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(nèi)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。”

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(shù)進行加工，這在聚合物中是一種罕見且有利的品質(zhì)。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(zhì)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(gòu)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?shù)夭牧希�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(zhì)的替代品，可以使用 3D 打印制成不同的形狀和尺寸。

Dubruel 總結(jié)了他們的任務目標：“我們一直在尋找輕質(zhì)防輻射材料。在我們的發(fā)現(xiàn)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(shù)將材料塑造成 3D 結(jié)構(gòu)并擴大生產(chǎn)過程，以便我們能夠更接近工業(yè)化�！�

△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(jīng)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(jié)構(gòu)，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(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，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(jīng)超越了理論，進入了現(xiàn)實世界的發(fā)展。目前，研究團隊已經(jīng)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(shù)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(guān)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(lǐng)域使用水凝膠的經(jīng)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。