太空3D打印（月壤）離我們有多遠(yuǎn)？

人類探索宇宙的夢(mèng)想從來(lái)沒(méi)有停止過(guò)，在人類探索宇宙的過(guò)程中，設(shè)備和材料的“補(bǔ)給線問(wèn)題”，一直阻礙著人們飛向更遠(yuǎn)的空間，當(dāng)人類處在一個(gè)除了太空船之外一無(wú)所有的空間的時(shí)候，最好的生存的辦法就是利用現(xiàn)有的設(shè)備和太空原料來(lái)制造所需要的工具。3D打印技術(shù)，又稱增材制造，它是一種以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末顆粒狀無(wú)機(jī)或有機(jī)等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體的技術(shù)。伴隨著人類探索外太空步伐的加快，3D打印技術(shù)非常適合實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單到復(fù)雜，從無(wú)到有的太空制造過(guò)程（圖1）。

圖1 人類建立月球基地假想圖

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太空3D打印的目標(biāo)

太空3D打印主要解決兩個(gè)方面的問(wèn)題：（1）解決太空飛船在飛行過(guò)程中的運(yùn)行和維護(hù)，主要包括：為航天器在空間制造替換零件，拓展航天器的壽命，節(jié)約重復(fù)發(fā)射成本；材料的太空循環(huán)利用，可直接利用老化和廢舊材料進(jìn)行回爐再制造，不必耗費(fèi)新材料，甚至可以利用太空垃圾制造零件，節(jié)約成本并且環(huán)保；在空間制造地面難以發(fā)射的超大尺寸部件光學(xué)鏡頭；（2）建立適合人類生存的太空基地，當(dāng)人類到達(dá)新的星球的時(shí)候，衣食住行都要解決，首先解決住的問(wèn)題，可以就地取材打印適合人類居住的房屋，房屋結(jié)構(gòu)需要具有保溫并可抵擋微小流體攻擊和宇宙射線輻射的功能，再就是考慮吃飯問(wèn)題，打印適合植物生長(zhǎng)的陽(yáng)光房，最后就是打印人類可以相互走訪聯(lián)系的交通工具等等。

太空3D打印主要存在的難點(diǎn)在哪里？

在太空中進(jìn)行3D打印絕對(duì)不容易，航天器在軌飛行時(shí)，會(huì)受到地球引力之外多種作用力的干擾，如大氣阻力、太陽(yáng)輻射光、重力梯度效應(yīng)、軌道機(jī)動(dòng)、姿態(tài)控制、設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)和乘員活動(dòng)等，從而達(dá)不到完全“失重”狀態(tài)，而是一種“微重力”環(huán)境；同樣在新的星球建造太空基地，則主要考慮真空或者大氣環(huán)境，太陽(yáng)輻射，引力大小等等因素，例如：月球的重力只有地球的1/6,為真空環(huán)境；火星的重力為地球的2/5,主要為二氧化碳?xì)怏w。雖然3D打印機(jī)的基本設(shè)計(jì)保持不變，但微重力和氣氛環(huán)境需要特殊考慮，因此目前在地球上大多數(shù)3D打印設(shè)備是否適合在微重力不同氣氛條件下的打印過(guò)程需要重新調(diào)查研究，在早期條件不完善不完美的境況下，盡可能將3D打印設(shè)備設(shè)計(jì)的更為簡(jiǎn)單，要求盡可能降低。

哪些方法適合太空3D打??？

3D打印過(guò)程無(wú)非就是將含有固液的微滴粘合組合成我們想要的三維體材料。3D打印方法有很多（圖2），但是并不是所有方法都適合太空3D打印。在空間站和航天器外面的真空微重力條件下，哪些材料可以進(jìn)行3D打印一目了然，在盡可能降低打印條件的前提下，過(guò)程中含有液體的基本可以排除，因?yàn)橐后w在真空低蒸氣壓條件下很容易沸騰蒸發(fā)，特別在微重力條件下很難保持原有的形態(tài)，因此一些漿料打印方法可行性較低，例如含有液體的光固化打印方法（SLA）；還有就是要求有粉體參與的打印方法，在真空微重力環(huán)境下，粉體無(wú)重力作用很難鋪展開來(lái)，容易到處飛舞，在空間難以控制如此多的微小目標(biāo)，在這種要求下，選區(qū)激光熔融（SLM）和燒結(jié)（SLS）打印方法，電子束熔融和燒結(jié)打印方法，粘結(jié)劑噴射打印方法（BJ）基本都可以排除在外。

圖2 各種3D打印方法示意圖[1]

國(guó)際上普遍采用絲狀材料作為太空制造的主要材料形態(tài)，其主要采用熔融沉積的方法（FDM）方法去實(shí)現(xiàn)太空3D打印，基本原理為加熱頭把熱熔性材料加熱到臨界狀態(tài)，使其呈現(xiàn)半流體狀態(tài)而不是液體狀態(tài)，然后加熱頭會(huì)在軟件控制下沿CAD 確定的二維幾何軌跡運(yùn)動(dòng)，同時(shí)噴頭將半流動(dòng)狀態(tài)的材料擠壓出來(lái)，材料瞬時(shí)凝固形成有輪廓形狀的薄層（圖3）。從這個(gè)打印特征來(lái)看，整個(gè)方法過(guò)程中不會(huì)有液體和粉體出現(xiàn)，原料在加熱條件下變?yōu)榘肓黧w固態(tài)狀態(tài)，而加熱主要為電阻絲加熱，而不是激光加熱或者電子束加熱等要求比較苛刻條件的加熱方式。這種方式方法最為簡(jiǎn)單可行。

圖3 FDM打印原理和打印設(shè)備

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2020年5月7日，中國(guó)首次開展軌道3D打印試驗(yàn)，也是全球首次實(shí)現(xiàn)連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的太空3D打?。▓D4）。所采用的技術(shù)就是熔融沉積（FDM）3D打印技術(shù)，所采用的原料是樹脂基連續(xù)碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料，這種材料在加熱的條件下，樹脂塑料熔化成半流體狀態(tài),遇冷即可粘合在一起得到想要的復(fù)雜結(jié)構(gòu)件。

圖4 中國(guó)首次太空3D打印連續(xù)碳纖維復(fù)合材料

（來(lái)自中國(guó)空間技術(shù)研究院）

在星球建造太空基地，因?yàn)橛幸欢ㄖ亓l件，粉體的打印相對(duì)有一定的可行性，在具備封閉的氣氛條件下，液體的打印也可以完成，月球和火星具有創(chuàng)造這樣環(huán)境的條件。歐洲航天局與阿爾塔SPA、Monolite有限公司、福斯特建筑事務(wù)所和圣安娜高等研究學(xué)院組成的工業(yè)協(xié)會(huì)采用D-Shape的粘結(jié)劑噴射3D打印技術(shù)（圖5）評(píng)估了在月球建造基地的可行性[2]。他們首先模擬建立了一個(gè)環(huán)境溫度為20℃、真空度在2KPa的封閉環(huán)境，并且通過(guò)理論計(jì)算在此條件下只要控制直徑200um以下粘結(jié)劑（墨水）液滴噴射在月球土壤層（73%的粒徑小于150um，81%的粒徑小于250um）上，液滴則不會(huì)蒸發(fā)，并且能夠保持足夠長(zhǎng)時(shí)間的液體狀態(tài)來(lái)讓月壤形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，最后實(shí)踐用類月壤火山灰打印了構(gòu)件，經(jīng)過(guò)測(cè)試結(jié)果非常好，其具有與混凝土一樣的低孔隙率，相容硬度也非常好。

圖5 D-Shape 打印的建筑（6m*6m*6m）[3]

我國(guó)利用3D打印技術(shù)模擬建造月球基地方面也進(jìn)行了探索。2021年，科技部將“輕量化可重構(gòu)月面建造方法研究”列入重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，成為“工程科學(xué)與綜合交叉”的重點(diǎn)專項(xiàng)。華中科技大學(xué)成為該項(xiàng)目的首席科學(xué)家單位。他們把中國(guó)在月球上建造的月面基地樣式定名為“月壺尊”，這是一個(gè)外形酷似雞蛋殼的建筑。計(jì)劃用月壤燒出月球磚，再用“月蜘蛛”的機(jī)器人砌筑[4]。3D打印模型“月壺尊”。從外面看，它像是一個(gè)放大的雞蛋殼豎立在地面。作為建筑物，“月壺尊”里面并沒(méi)有承重的“四梁八柱”，蛋殼頂端是穹頂結(jié)構(gòu)，蛋殼體分內(nèi)外兩層，中間夾一層類似于肋骨的結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)穩(wěn)定性。該團(tuán)隊(duì)將中國(guó)傳統(tǒng)制磚砌筑的建造方式與3D打印建造方式相結(jié)合，采用整體預(yù)制拼裝、局部打印連接的方式設(shè)計(jì)建造月面基地，提出利用機(jī)器人機(jī)械臂上的高能束（太陽(yáng)能或者激光）熔融燒結(jié)月壤，鋪一層月壤并熔融一次燒結(jié)出帶有榫卯結(jié)構(gòu)的月球磚，再通過(guò)機(jī)器人將月球磚拼裝建造，整個(gè)過(guò)程通過(guò)燒結(jié)月球磚避免了一次性3D打印成型的風(fēng)險(xiǎn)，然后由機(jī)器人砌筑并同時(shí)用3D打印加強(qiáng)連接來(lái)完成結(jié)構(gòu)避免結(jié)構(gòu)變形。目前他們已制備出國(guó)內(nèi)首個(gè)模擬月壤真空燒結(jié)打印樣品，實(shí)現(xiàn)了“從0到1”的重大突破。

圖6 “月壺尊”月面基地效果圖

（國(guó)家數(shù)字建造技術(shù)創(chuàng)新中心）

各國(guó)太空打印月球基地計(jì)劃

NASA（美國(guó)國(guó)家航空航天局）將在阿爾忒彌斯計(jì)劃中啟用3D打印技術(shù)，他們將在月球南極稱之為“永恒之光的山峰”——（ 太陽(yáng)輻射無(wú)處不在的地方，并且入射角很低，該地點(diǎn)靠近火山口邊緣，可為太陽(yáng)能收集提供長(zhǎng)時(shí)間照明，永久陰影的火山口區(qū)域還有利于水的收集。）3D打印一個(gè)基地LINA（Lunar Infrastructure Asset）（圖7），為宇航員和機(jī)器人提供一個(gè)生活和工作場(chǎng)所。它將由三個(gè)單元組成，每個(gè)單元75平方米，并由一個(gè)90平方米的公共庭院分隔，并集成一棵光伏樹以直接捕獲和收獲太陽(yáng)能，跨度為8米×9.4米，高度為5米，可以保護(hù)宇航員免受輻射、月球地震、極端熱變化、隕石的影響，設(shè)計(jì)壽命至少50年。目前第一個(gè)原型正在肯尼迪航天中心建造， 3D 打印材料則根據(jù) BP-1 月球模擬物配制而成，由NASA 的顆粒力學(xué)和風(fēng)化層操作實(shí)驗(yàn)室合成，他們還將模擬月球的環(huán)境進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，溫度范圍從-170到70℃[5]。NASA計(jì)劃在2028年執(zhí)行這項(xiàng)任務(wù)，他們希望這將使他們有新的科學(xué)、技術(shù)發(fā)現(xiàn)，以建立月球經(jīng)濟(jì)，重要的是探索火星，同時(shí)保持人類長(zhǎng)時(shí)間的存在。美國(guó)宇航局的目標(biāo)是在2028年出發(fā)執(zhí)行這項(xiàng)任務(wù)，他們希望這個(gè)項(xiàng)目可以整合最新的科學(xué)、技術(shù)成果，以建立常態(tài)化的月球基地，實(shí)現(xiàn)人類長(zhǎng)時(shí)間在太空活動(dòng)的可能，并為人類登錄火星做準(zhǔn)備。

圖7 3D打印LINA月球前哨基地想象圖

（https://www.designboom.com/technology/ai-spacefactory-nasa-lina-first-human-foothold-on-moon-07-04-2022.）

我國(guó)同樣有更加宏偉的計(jì)劃，那就是在實(shí)現(xiàn)載人登月之后，也將建造國(guó)際月球科研站。2021年3月份，我國(guó)和俄羅斯正式簽署了合作備忘錄，聯(lián)手建造月球基地。目前來(lái)看，月球南極將是建造月球基地的最佳選址。只有建造了月球基地，人類才有望獲得月球上最重要的資源氦-3，如果利用它進(jìn)行可控核聚變，其能源足夠人類用1萬(wàn)年以上！而且，月球表面的重力只有地球的1/6，未來(lái)在這里發(fā)射火箭，我們的航天器將會(huì)飛得更遠(yuǎn)！

總體而言，太空3D打印在不遠(yuǎn)的將來(lái)就會(huì)付諸實(shí)施，在航天器中3D打印方面主要考慮真空環(huán)境和微重力環(huán)境，避免有液體和粉體原材料打印，方法主要以類FDM方法為主，以獲得半流體固體（牙膏狀）粘結(jié)為原則來(lái)實(shí)現(xiàn)材料的成型。而太空基地的建造，則主要考慮人為創(chuàng)造一定的溫度和氣氛環(huán)境，避免液體蒸發(fā)和結(jié)冰，像在地球澆筑高樓大廈一樣通過(guò)液體粘結(jié)劑粘結(jié)星壤來(lái)建造大型建筑物，并以此為基地實(shí)現(xiàn)3D打印技術(shù)廣泛應(yīng)用，期待這一天的到來(lái)！

參考文獻(xiàn)：
[1]Guo Liu, Xiaofeng Zhang, Jian Lv, Additive manufacturing of structural materials，Materials Science & Engineering R, 2021(145):100596.
[2] Giovanni Cesaretti , Enrico Dini , Xavier De Kestelier, Building components for an outpost on the Lunar soil by means of a novel 3D printing technology, Acta Astronautica, 2014(93):430-450.
[3]Hamad Al Jassmi, Fady Al Najjar, Abdel-Hamid Ismail Mourad, Large-Scale 3D Printing: The Way Forward, 2018(324):012088.
[4]楊佳峰，把房子蓋到月球上去，華中科技大學(xué)院士團(tuán)隊(duì)研究機(jī)器人就地取材造月面基地，長(zhǎng)江日?qǐng)?bào)。
[5]David Malott, AI spacefactory releases designs for first human foothold on the moon,https://www.designboom.com/technology/ai-spacefactory-nasa-lina-first-human-foothold-on-moon-07-04-2022.