使用3D打印進行太空探索的8個理由

魔猴君  科技前沿   15天前

人類一直夢想征服太空，每一次技術進步都讓我們更接近這個目標。在這些創新中，3D打印近年來已成為航天工業的一項重要資產。但與人們所認為的相反，它在該領域的應用并不新鮮。

2014年，3D打印機首次被送入太空，標志著該技術在極端環境下應用的轉折點。自那時起，它的應用不斷發展。它的作用遠不止于小修小補和簡單的失重實驗，現在它已被融入到火箭設計中，并為新的可能性，特別是現場制造開辟了道路。但是，為什么要在航天領域使用3D打印呢？我們給你8個理由！

Neutron是由Rocket Lab公司開發的一種可部分重復使用的太空運載火箭。（圖片來源：Rocket Lab）

進入太空

1：火箭部件優化

對于太空探索來說，每一克都至關重要。火箭或衛星越輕，發射成本就越低，效率也越高。通過減輕機器重量，我們可以減少所需的燃料量并釋放空間來攜帶更多有用的設備。為了實現這一目標，3D打印提供了一個有趣的解決方案：它允許設計定制部件，并對其進行優化，使其既堅固又輕便。由于采用了不同的設計技術（英文為DfAM），特別是使用拓撲優化，我們可以創造出傳統方法無法獲得的復雜形狀，同時保持出色的抵抗力。一個具體的例子是火箭發動機的冷卻通道。這些小管道用于排出燃燒室周圍的強烈熱量。通過3D打印，它們可以直接集成到零件中，而使用傳統的機械加工或注塑成型則非常困難，甚至不可能，因為后者通常過于昂貴且限制過多。

2：使用新材料提高性能

在航天領域，材料必須承受極端條件：高溫、輻射、壓力變化、熱沖擊等。3D打印現在可以使用各種專門適應這些限制的先進材料。我們發現鈦、鋁或因科鎳合金等金屬合金以其輕質和耐熱性而聞名。另一方面，纖維增強復合材料在強度、柔韌性和減輕重量之間實現了極好的平衡。但這些材料只有與合適的印刷工藝相結合才能發揮其全部潛力。DED、LPBF、DMLS和擠壓等技術使它們能夠轉化為復雜、精確和優化的零件。這些方法直接影響印刷材料的微觀結構，從而可以創建具有特定機械性能的定制部件。3D打印還可以用于技術陶瓷。例如，氧化鋯具有優異的耐熱、耐磨損和耐腐蝕性能。這種材料甚至在極高的溫度下也能導電。其他陶瓷對于在太空極端條件下工作的部件也具有有趣的特性。

3：簡化組裝并降低成本

通過使用3D打印，制造商可以更經濟地生產重要部件，例如發動機部件。與傳統方法不同，3D打印大大簡化了制造過程。它還促進了設計最終產品所需的原型設計和迭代。另一個主要優點是減少了制造航天器的零部件數量。借助3D打印，有時可以避免組裝數千個零件。例如，SAB Aerospace最近用3D打印技術打印了一個單件火箭噴嘴，而傳統上需要組裝數千個組件。就Relavity Space而言，它通過減少1,000個零部件的數量，大大簡化了其Terran火箭的構造。

SAB Aerospace的3D打印火箭噴嘴。（圖片來源：SAB Aerospace）

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4：在微重力條件下制造備件

3D打印使得直接在太空中制造物體成為可能。這一進步大大減少了對地球探險的依賴，因為地球探險通常漫長而昂貴。船員們現在可以在船上設計和生產他們所需的部件，而不必等待數周甚至數月才能得到替換部件。這種技術自主性非常有價值，特別是在發生不可預見的事件時：如果工具損壞或丟失，只需在現場打印一個新的即可。通過限制中斷，這顯著提高了任務的安全性和效率。目前正在進行多項實驗，探索3D打印在太空中的潛力。2024年，第一個金屬部件直接在國際空間站上制造完成，標志著我們達到了一個重要的里程碑。這種測試表明，盡管該技術仍處于測試階段，但它可以在太空條件下發揮作用。

5.食品打印

在太空任務中，電力供應是一個真正的挑戰，尤其是當任務持續數月甚至數年時。宇航員必須攜帶大量補給，這會占用大量空間和重量。3D食品打印使得直接在飛機上準備飯菜成為可能，只需使用糊狀或粉末狀的基本原料即可。因此，可以根據每位機組人員的特定營養需求，為他們制作個性化膳食。這項技術還減少了浪費并優化了資源的利用。測試已經證明可以在零重力環境下（例如在國際空間站(ISS)上）使用3D打印技術制造肉類。與此同時，科學家們也在繼續探索這項技術是否真的能夠成為宇航員在長期任務期間提供食物的可靠解決方案。

6.打印醫療設備和生物打印

在長期的太空任務中，并不總是能夠攜帶所有必要的醫療設備。借助3D打印，宇航員可以在現場制造有用的物體來治療傷害或某些健康問題。例如，他們可以打印適合各種情況的夾板甚至手術器械。這使我們能夠在需要時迅速做出反應，而無需等待地球的運送。此外，涉及打印活組織的生物打印技術在太空領域也取得了進展。Redwire公司已成功在微重力環境下3D打印出半月板，證明該技術有朝一日可以在太空中直接幫助修復組織。

7：宇航服打印

在地球上制造宇航服對于未來的任務來說是一項重要資產。一旦到達月球或火星，僅僅在那里是不夠的：你還必須能夠在那里安全地移動。2023年，Axiom Space展示了為Artemis計劃中的宇航員設計的新型宇航服原型。該模型是使用CAD軟件、3D打印和傳統縫紉技術開發的。這種方法可以使宇航服適應當地情況，必要時可以快速修復，并更好地滿足每個任務的具體要求。

阿爾忒彌斯計劃宇航員的宇航服（圖片來源：Axiom Space）

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8：空間結構和未來棲息地的建設

為了在月球或火星上可持續地生活，僅僅建造簡單的庇護所是不夠的。利用3D打印，現在可以在現場建造各種各樣的建筑物，例如住宅、太陽能發電廠和其他必要的基礎設施。這項技術的一個主要優勢是它允許使用當地材料，例如風化層。這使得可以在現場建造可行的結構。此外，3D打印還可以設計定制結構來應對太空的特定挑戰，例如輻射、極端溫度或低重力。

圖片來源：ESA

編譯整理：3dnatives