三维打印

太空 3D 打印的未来：实现地球以外的可持续探索和定居

12 月 20, 2024

太空三维打印的未来》通过太空制造为太空任务和基础设施开辟了新的可能性。本文探讨了增材制造的当前实验和设想用途，通过利用当地资源在月球和火星上建立自给自足的前哨站，通过按需维修提高可靠性，以及利用微重力环境的优势进行生物打印等先进应用。

未来的太空 3D 打印：太空探索制造

计算机数控（CNC）也为乐器制造开辟了另一条道路，不仅提高了制造效率和灵活性，还引入了新的设计和理念。数控技术最初应用于 20 世纪 50 年代中期，它不需要使用嵌入式编程工具，因为它可以利用铣床、车床和刳刨机等设备主动控制切割、钻孔或塑形等多项操作。

随着这些能力的不断快速发展，太空中的三维打印它为改变我们设计、建造和维护太阳系中航天器和结构的方式带来了巨大的希望。它甚至可以让我们利用当地的地外资源，在月球表面和更远的地方建立自给自足的前哨基地。本文探讨了三维打印在太空这一创新领域的当前用途和未来潜力。

微重力制造

早期太空实验

数控（CNC）是另一种通过新思路和新设计为乐器制造带来灵活性和效率的工艺。数控技术最初应用于 20 世纪 50 年代，不需要集成编程工具，因为它可以操作和控制不同的操作，例如使用铣床、车床、刳刨机等进行切割、钻孔或塑形。

塑料印刷继续取得进展

本节将介绍在微重力环境下成功打印塑料和各种工具/部件的持续实验。太空三维打印技术能够在太空中可靠运行，这为解决远离地球的长期任务中可能出现的问题提供了新的可能性。打印部件为国际空间站上的维修和实验提供了帮助。

开发金属三维打印技术

本节讨论欧空局最近交付的在国际空间站上打印小型金属部件的设备。其目的是了解金属三维打印操作和质量如何受到微重力的影响。如果成功，太空中的金属添加剂制造将允许更多高质量工具和部件的本地化生产。

太空制造

增材制造为人类在地球以外的可持续探索和定居提供了令人兴奋的可能性。通过建立 3D 打印材料未来的 3D 打印任务和殖民地可能会变得更加自给自足，带来巨大的好处。

应对来自地球的运输挑战

太空探索的最大挑战之一是从地球表面运输所有必要的工具、零件和用品。这一过程需要大量能源，每次发射耗资数百万美元。然而，太空制造可以帮助解决这个问题，它允许宇航员和殖民者按需打印任何损坏或需要升级的部件的替代品。精确打印定制部件来修复卫星或空间站，要比从地球上运输大量库存实用得多。这种能力将提高可靠性，降低 3D 打印太空任务完全依赖脆弱供应链的风险。

根据医疗需求定制用品

此外，3D 打印还能满足宇航员在长期任务或行星表面上的独特医疗需求。重要的设备和用品可以根据每个人的具体情况和不断变化的情况在当地制造。个性化的假肢、植入物或支架甚至有可能利用 3D 生物打印技术的进步技术。如果仅靠地球上预先包装好的物资，是不可能实现这种程度的自给自足和个性化护理的。

用当地材料建造栖息地

也许最令人兴奋的是，增材制造可以在可持续地建立人类在地球以外的永久存在方面发挥关键作用。它可以让月球、火星或小行星上的殖民者直接利用当地可获得的资源（如本地塑料、金属甚至月球/火星碎屑岩）在太空中进行 3D 打印。在不完全依赖来自地球的有效载荷的情况下，逐步建造适合居住的结构，可以大大降低长期生活在星外所需的成本和资源。

地外材料

月升计划

2021 年的 "升月计划 "是利用外星资源进行 3D 打印的最雄心勃勃的演示之一。这项实验由德国和荷兰研究人员进行，他们将一台原型碎石打印机带到了国际空间站。在那里，他们成功地可持续三维打印使用一种混合了粘合树脂的月球碎屑模拟物来制作小样品。这证明了增材制造技术可以直接利用模拟月球土壤建造固体结构。直接利用月球或火星上的本土泥土建造栖息地和基础设施的能力，可以改变人类在地球以外的探索和定居。

奥林匹斯计划

Icon公司的 "奥林匹斯项目 "则进一步推进了这些想法，其目标是利用他们的专用打印机在太空中完全三维打印出一个完全由真实月球碎屑组成的月球基地。为了做好准备，他们在犹他州沙漠中的火星沙丘阿尔法（Mars Dune Alpha）栖息地充当了打印模拟火星碎石混凝土混合物的试验台。他们的目标是到 2026 年在月球上建造一个 1000 平方英尺的 3D 打印结构。如果成功，Icon 公司的方法将为完全使用地外材料建造坚固的前哨站提供可持续发展的蓝图。这种自给自足的模式可能是在地球以外进行长期探索和殖民的关键。

按需部件：

利用 3D 打印技术进行回收利用

目前正在探索的一个前景广阔的途径是将 3D 打印与回收旧塑料制成可用原料相结合。国际空间站上的实验已经成功展示了如何将塑料垃圾（如包装）回收利用到数字文件中，然后挤出打印出新的工具和部件。这不仅有助于减少太空中的垃圾堆积，还展示了太空中的 3D 打印航天器、前哨站或殖民地如何可持续地重复使用材料，无休止地打印任何需要的东西。塑料垃圾不再需要丢弃，而是可以为制造必需品提供新鲜的原材料。

紧急情况下的印刷

快速成型制造还可以在太空任务中出现意外情况时，临时定制工具。面对意想不到的技术问题或设备故障，这种 "游击制造 "能力可以使任务更加稳健。最近的实验表明三维金属打印这对国际空间站的意外维修至关重要。随着太空三维打印技术的不断进步，能够在需要的地方用库存材料制造出一次性设备和部件，这对于在火星或月球表面航行时提高可靠性和应对突发挑战具有变革性意义。

航天器组件：

基于地球的 3D 打印

虽然未来的 3D 打印在太空打印方面潜力巨大，但增材制造已经通过打印航天器部件在近距离内产生了影响。领先的航空航天公司和航天机构正在利用三维打印技术制造结构件、发动机、卫星等。过去，复杂或昂贵的火箭部件加工起来令人望而却步，而现在，先进的合金材料可以分层打印。整颗小型卫星是用先进的热塑性塑料逐块 3D 打印出来的。这展示了增材制造如何在地球上简化高科技太空硬件的制造过程。

集成设计与 3D 打印

随着这些技术的不断融合，"3D 太空打印 "的星际飞船可能会通过完全集成的建模和增材制造方法来设计和建造。复杂的运动部件、推进系统和科学有效载荷都可以通过三维打印技术制造。 3D 打印机部件同时作为单一的互连结构。太阳能电池阵列和天线等结构可以在微重力环境下按照内部可打印结构的预编程展开。利用新的金属打印技术连接复合材料，整个可扩展的航天器总线有朝一日可以在低地球轨道上用先进合金逐层打印。这种完全嵌入式添加剂结构可大大提高航天器执行深空任务的能力。

生物打印应用

微重力条件下的生物打印优势

由于缺乏重力，太空的微重力环境有利于复杂的生物打印项目。在零重力生物打印组织在不需要支撑性支架的情况下，三维打印形状和结构的未来仍可保留。这使得太空成为进行更厚的活体组织和微型器官工程突破性研究的理想场所。创新科学可能有助于推进地球和宇航员的医疗保健。

潜在用途

在国际空间站或三维打印太空定居点等空间站上，生物打印机可以生产定制的食物来源，通过三维打印结构替代稀缺的药物，甚至有可能打印出基本的替代器官或肢体。随着技术的成熟，这种基本生物材料的个人制造将大大提高深空任务的安全性和寿命。有朝一日，长期居住在太空中的人可能有办法通过机载有机添加剂制造技术独立解决所有饮食和医疗需求。

结论

总而言之三维打印空间三维打印技术为彻底改变我们在恶劣的太空环境中设计、建造和维持复杂系统的方式带来了巨大的希望。增材制造技术从最初在国际空间站上打印简单的塑料，迅速发展到制造重要的金属部件和复杂的航天器。现在的实验直接从模拟月球碎石和火星土壤中建造结构，证明该技术可以直接从地外陆地建造可用材料。

随着 3D 太空打印技术在太空中的应用，以及将设计与先进材料相结合的发展，它们可能会利用原始的小行星资源打印出越来越多的自主太空硬件。有朝一日，3D 生物打印技术也可能为长期任务制造关键的有机供应品。随着技术的不断进步，原位制造将从根本上减少对地球上脆弱供应链的依赖，为后世开辟自给自足的太空探索新领域。