[科普中國]-當(dāng)3D打印遇上太空制造

出品：科普中國

作者：璦敏工作室

監(jiān)制：光明網(wǎng)科普事業(yè)

近日，Made In Space公司贏得了美國國家航空航天局的新合同，將為其開發(fā)可在太空混合3D打印的新系統(tǒng)。早在2014年，世界上首臺太空3D打印機就在國際空間站安裝成功，先后打印出一系列太空專用零部件，揭開了人類“太空制造”的新時代。

美國國際空間站（來源：中新網(wǎng)）

轟隆隆的太空零件廠

接收到電子郵件中的設(shè)計圖紙，選擇打印按鈕，一個太空扳手就在航天員的注視下應(yīng)運而生。這不是科幻大片中的場景，而是太空3D打印機在零重力環(huán)境下完成的零件制造“處女秀”。

與傳統(tǒng)打印機的理念相一致，3D打印就是以模型文件為基礎(chǔ)，運用粉末狀金屬和塑料等可粘合材料，通過逐層打印來構(gòu)造物體的快速成型技術(shù)，目前已經(jīng)在工業(yè)設(shè)計、建設(shè)施工、醫(yī)療產(chǎn)業(yè)等領(lǐng)域得到了重點應(yīng)用。在人類探索太空的過程中，設(shè)備和材料的地面補給早已是完成太空任務(wù)公認(rèn)的“瓶頸”。將3D打印機搬上太空，實現(xiàn)太空用零部件的“自給自足”這一想法應(yīng)運而生。

資料圖（來源：人民網(wǎng)）

眾所周知，空間航天器的大小主要受限于運載器的大小，利用太空3D打印就可搭建太空零件制造廠，實現(xiàn)太空設(shè)備的太空制造。目前，人們已經(jīng)開始設(shè)計太空制造系統(tǒng)，將在太空中直接打印出天線、電池板等零部件和工作生活的必需品。美國國家航空航天局噴氣推進(jìn)實驗室的正在研制標(biāo)準(zhǔn)的太空3D打印工序，可以通過新技術(shù)兼容不同金屬原料，制造出更能適應(yīng)太空應(yīng)用環(huán)境的零部件。

未來，美國國家航空航天局的目標(biāo)是在太空中直接3D打印出整枚衛(wèi)星，經(jīng)由“太空零件廠”生產(chǎn)組裝后直接投放到運行軌道。此外，美國國家航空航天局聯(lián)合美國制造公司，開展了3D打印火星棲息地競賽活動，歐洲航天局也開始探索利用3D打印技術(shù)在未來建造月球基地。太空3D打印將對人類太空探索事業(yè)的供給和支持方式帶來巨大變革，也為空間飛行提供更加寬廣的平臺。

令人癡迷的全能制造師

曾幾何時，匯聚著人類智慧的哈勃太空望遠(yuǎn)鏡發(fā)射升空后，由于鏡面制造出現(xiàn)微小誤差，哈勃望遠(yuǎn)鏡由“遠(yuǎn)視眼”搖身一變成了“近視眼”。在當(dāng)時的航天技術(shù)條件限制下，人們所能想到的方案就是再進(jìn)行一次航天飛機發(fā)射，為哈勃望遠(yuǎn)鏡安裝“近視鏡”。整個修復(fù)過程需要完成地面制造、空地運輸和空間裝配，稍有不慎就可能使之前的努力功虧一簣。

哈勃太空望遠(yuǎn)鏡 （來源：中國網(wǎng)）

如今，有了太空3D打印技術(shù)，就可以將奇形怪狀、功能各異的零部件直接在外太空完成打印。太空3D打印的意義還遠(yuǎn)不止于此，現(xiàn)代人們講究“輕裝出行”，太空飛行也不例外。攜帶一臺3D打印機進(jìn)入太空，就可以省去攜帶數(shù)以萬計的各種零部件的巨大麻煩，只需攜帶幾公斤的3D打印耗材就足夠了。同時，太空3D打印還可省掉航天器在發(fā)射過程中對結(jié)構(gòu)強度的苛刻要求，太空打印出來的零部件將比發(fā)射升空的更加瘦身，從而實現(xiàn)更大的經(jīng)濟效益。

目前，3D打印技術(shù)在航空航天領(lǐng)域已體現(xiàn)出極強的應(yīng)用價值和發(fā)展?jié)摿?，不僅縮短了航天產(chǎn)品的生產(chǎn)周期，降低了成本，更進(jìn)一步提高了產(chǎn)品性能。作為一種全新的生產(chǎn)方式，太空3D打印制造的產(chǎn)品可以勝任一些傳統(tǒng)制造工藝難以完成的工作。尤其是諸如某個部件一側(cè)需要耐受高溫，另一側(cè)需要具備較高的強度等高難度要求，3D打印更可以大顯身手。

太空3D打印更加神奇之處，是可以將太空廢物“化腐朽為神奇”，一旦太空中制造的產(chǎn)品出現(xiàn)損壞，只需要將其融化成原材料就可再次重復(fù)利用。未來，太空3D打印還可利用地球軌道上的報廢衛(wèi)星甚至是直接到一些行星上就地取材進(jìn)行太空制造，真是當(dāng)之無愧的太空制造師。

大顯神威助力空天飛行

太空3D打印技術(shù)不僅省時省力省經(jīng)費，更可大幅度降低太空飛行對地面的依賴程度。相比于半年一次的太空補給，3D打印只需數(shù)小時就可以生產(chǎn)出需要更換的零部件。未來有了太空3D打印機，就可以在失重環(huán)境下自制所需的各類實驗和維修工具以及零部件，將大幅度提升空間站實驗的靈活性和維修的及時性，同時有效減少空間站各類零件備件的種類和數(shù)量，降低空間站對地面系統(tǒng)的依賴，從而為人類開展星球探索提供新的動力和希望。

未來，太空3D打印技術(shù)除可用于在軌制造航天零部件外，還將與機器人系統(tǒng)有機組合。美國研制的智能蜘蛛機器人SpiderFab將直接在太空中通過3D技術(shù)打印和組裝太空飛船的組件甚至是衛(wèi)星，并可在太空中制造出數(shù)公里長的金屬框架。美國國防部高級研究計劃局開展的“鳳凰”研究項目，旨在通過拆解老舊衛(wèi)星的部件來清理各種空間垃圾，并用老舊衛(wèi)星的零部件重新組裝成一個全新的空間設(shè)備，太空3D打印為此提供了一個重要的技術(shù)方案。

事實上，太空3D打印不僅可以打印各類元器件，也可以打印美食。利用太空3D打印機可以將各類可食用原材料打印成滿足航天員需求的各類營養(yǎng)套餐。目前，美國軍方已經(jīng)宣稱會根據(jù)航天員身體情況提供“定制化營養(yǎng)”服務(wù)，并將通過3D打印技術(shù)實現(xiàn)這一想法。未來，在天空中辛勤奔忙的航天員就可以通過可穿戴裝置來檢測他們的生理或營養(yǎng)狀況，并配制出定制化的太空飲食。

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