在人類探索宇宙的過程中，裝置和材料的“補給線問題”，一直阻礙著人類飛向更遠的空間，當人類處在一個除了太空船之外一無所有的空間的時候，最好的生存辦法就是利用現有的裝置和太空原料來製造所需要的工具，這時，
3D列印成了一個不錯的選擇。
3D列印技術，又稱增材製造，是一種以數字模型檔案為基礎，運用粉末顆粒狀無機或有機等可黏合材料，透過逐層列印的方式來構造物體的技術。伴隨著人類探索外太空步伐的加快，3D列印技術非常適合實現從簡單到複雜，從無到有的太空製造過程。
圖1 人類建立月球基地假想圖（圖片來源：veer相簿）
太空3D列印能做什麼？
太空3D列印主要解決兩個方面的問題：
（1）
在飛行過程中幫助執行和維護太空飛船。
主要包括：為航天器在空間製造替換零件，拓展航天器的壽命，節約重複發射成本；材料的太空迴圈利用，可直接利用老化和廢舊材料進行回爐再製造，不必耗費新材料，甚至可以利用太空垃圾製造零件，節約成本並且環保；在空間製造地面難以發射的超大尺寸部件光學鏡頭。
（2）
建立適合人類生存的太空基地。
當人類到達新的星球的時候，衣食住行都要解決。首先解決住的問題，可以就地取材列印適合人類居住的房屋，房屋結構需要具有保溫功能，並可抵擋微小流體攻擊和宇宙射線輻射。再就是考慮吃飯問題，列印適合植物生長的陽光房，以種植糧食。最後就是列印人類可以相互
走訪
聯絡的交通工具等等。
太空3D列印主要存在的難點在哪裡？
在太空中進行3D列印絕對不容易，航天器在軌飛行時，會受到地球引力之外多種作用的干擾，如大氣阻力、太陽輻射光、重力梯度效應、軌道機動、姿態控制、裝置運轉和乘員活動等，從而達不到完全“失重”狀態，而是一種“微重力”環境。
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境、太陽輻射、引力大小等等因素，例如：月球的重力只有地球的1/6，為真空環境；火星的重力為地球的2/5，主要為二氧化碳氣體。
雖然3D印表機的基本設計保持不變，但微重力和氣氛環境需要特殊考慮
，因此目前在地球上大多數3D列印裝置是否適合在微重力不同氣氛條件下的列印過程需要重新調查研究，在早期條件不完善不完美的境況下，儘可能將3D列印裝置設計的更為簡單，要求儘可能降低。
哪些方法適合太空3D列印？
3D列印過程無非就是將含有固液的微滴黏合組合成我們想要的三維立體材料。3D列印方法有很多（圖2），但並不是所有方法都適合太空3D列印。在空間站和航天器外面的真空微重力條件下，哪些材料可以進行3D列印一目瞭然。
在儘可能降低列印條件要求的前提下，過程中含有液體的基本可以排除，因為液體在真空低蒸氣壓條件下很容易沸騰蒸發，特別是在微重力條件下，很難保持原有的形態，因此一些漿料列印方法可行性較低，例如含有液體的光固化列印方法（SLA）。
還有就是要求有粉體參與的列印方法，在真空微重力環境下，粉體無重力作用很難鋪展開來，容易到處飛舞，在太空難以控制如此多的微小目標，在這種要求下，選區鐳射熔融（SLM）和燒結（SLS）列印方法、電子束熔融和燒結列印方法、黏結劑噴射列印方法（BJ）基本都可以排除在外。
圖2 各種3D列印方法示意圖（圖片來源：參考文獻［1］ ）
國際上普遍採用絲狀材料作為太空製造的主要材料形態，其主要採用熔融沉積的方法（FDM）去實現太空3D列印
，基本原理為加熱頭把熱熔性材料加熱到臨界狀態，使其呈現半流體狀態而不是液體狀態，然後加熱頭會在軟體控制下沿CAD 確定的二維幾何軌跡運動，同時噴頭將半流動狀態的材料擠壓出來，材料瞬時凝固形成有輪廓形狀的薄層（圖3）。
從這個列印特徵來看，整個方法過程中不會有液體和粉體出現，原料在加熱條件下變為半流體固態狀態，而加熱主要為電阻絲加熱，而不是鐳射加熱或者電子束加熱等要求比較苛刻的加熱方式。這種方法最為簡單可行。
圖3 FDM列印原理和列印裝置（圖片來源：左圖維基百科，右圖veer相簿）
2020年5月7日，中國首次開展軌道3D列印試驗，也是全球首次實現連續碳纖維增強複合材料的太空3D列印
（圖4）。所採用的技術就是熔融沉積（FDM）3D列印技術，所採用的原料是樹脂基連續碳纖維增強複合材料，這種材料在加熱的條件下，樹脂塑膠熔化成半流體狀態，遇冷即可黏合在一起，得到想要的複雜結構件。
圖4 中國首次太空3D列印連續碳纖維複合材料（圖片來源：中國空間技術研究院）
人類建立太空基地的探索
在星球建造太空基地，因為有一定重力條件，粉體的列印相對有一定的可行性，在具備封閉的氣氛條件下，液體的列印也可以完成，月球和火星具有創造這樣環境的條件。
歐洲航天局與阿爾塔SPA、Monolite有限公司、福斯特建築事務所和聖安娜高等研究學院組成的工業協會採用D-Shape的黏結劑噴射3D列印技術（圖5）評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環境溫度為20℃、真空度在2KPa的封閉環境，並且透過理論計算在此條件下只要控制直徑200μm以下黏結劑（墨水）液滴噴射在月球土壤層（73%的粒徑小於150μm，81%的粒徑小於250μm）上，液滴則不會蒸發，並且能夠保持足夠長時間的液體狀態來讓月壤形成網狀結構。最後實踐用類月壤火山灰列印了構件，經過測試，結果非常好，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 列印的建築（6m×6m×6m）（圖片來源：參考文獻［3］）
我國在利用3D列印技術模擬建造月球基地方面也進行了探索。2021年，科技部將“輕量化可重構月面建造方法研究”列入重點研發計劃，成為“工程科學與綜合交叉”的重點專項。
華中科技大學成為該專案的首席科學家單位，他們把中國在月球上建造的月面基地樣式定名為“月壺尊”，這是一個外形酷似雞蛋殼的建築。計劃用月壤燒出月球磚，再用“月蜘蛛”的機器人砌築［4］，3D列印模型“月壺尊”。
從外面看，它像是一個放大的雞蛋殼豎立在地面。作為建築物，“月壺尊”裡面並沒有承重的“四梁八柱”，蛋殼頂端是穹頂結構，蛋殼體分內外兩層，中間夾一層類似於肋骨的結構，以增強穩定性。
該團隊將中國傳統制磚砌築的建造方式與3D列印建造方式相結合，採用整體預製拼裝、區域性列印連線的方式設計建造月面基地，提出利用機器人機械臂上的高能束（太陽能或者鐳射）熔融燒結月壤，鋪一層月壤並熔融一次燒結出帶有榫卯結構的月球磚，再透過機器人將月球磚拼裝建造。整個過程透過燒結月球磚避免了一次性3D列印成型的風險，然後由機器人砌築並同時用3D列印加強連線來完成結構避免結構變形。
目前他們已製備出國內首個模擬月壤真空燒結列印樣品，實現了從“0”到“1”的重大突破。
圖6 “月壺尊”月面基地效果圖（圖片來源：國家數字建造技術創新中心）
人類太空列印月球基地的計劃
NASA（美國國家航空航天局）將在阿爾忒彌斯計劃中啟用3D列印技術，他們將在月球南極稱之為“永恆之光”的山峰（該地點靠近火山口邊緣，是太陽輻射無處不在的地方，並且太陽入射角很低，可為太陽能收集提供長時間照明，永久陰影的火山口區域還有利於水的收集。）3D列印一個基地LINA（
Lunar Infrastructure Asset
）（圖7），為宇航員和機器人提供一個生活和工作場所。
它將由3個單元組成，每個單元75平方米，並由一個90平方米的公共庭院分隔，並整合一棵光伏樹，以直接捕獲和收穫太陽能，。它的跨度為8米×9。4米，高度為5米，可以保護宇航員免受輻射、月球地震、極端熱變化、隕石的影響，設計壽命至少50年。目前第一個原型正在肯尼迪航天中心建造，3D列印材料則根據BP-1月球模擬物配製而成，由NASA的顆粒力學和風化層操作實驗室合成，他們還將模擬月球的環境進行測試驗證，溫度範圍從-170到70℃［5］。
NASA計劃在2028年執行這項任務，他們希望這將使他們有新的科學、技術發現，以建立月球經濟，重要的是探索火星，同時保持人類長時間的存在。美國宇航局的目標是在2028年出發執行這項任務，他們希望這個專案可以整合最新的科學、技術成果，以建立常態化的月球基地，實現人類長時間在太空活動的可能，併為人類登入火星做準備。
圖7 3D列印LINA月球前哨基地想象圖（圖片來源：AI SpaceFactory）
我國有著更加宏偉的計劃，那就是在實現載人登月之後，也將建造國際月球科研站。
2021年3月份，我國和俄羅斯正式簽署了合作備忘錄，聯手建造月球基地。目前來看，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，如果利用它進行可控核聚變，其能源足夠人類用1萬年以上！而且，月球表面的重力只有地球的1/6，未來在這裡發射火箭，我們的航天器將會飛得更遠！
結語
太空3D列印離我們到底有多遠？這個問題的答案是，它觸手可及。太空3D列印的不斷髮展，將使曾經存在於科幻電影中的月球基地成為現實，而我國也必將在不遠的未來使用這一技術實現更多曾經不可能的科學想象。
出品：科普中國
作者：陳健（中國科學院上海矽酸鹽研究所）
監製：中國科普
博覽
參考文獻：
［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，華中科技大學院士團隊研究機器人就地取材造月面基地，長江日報。
［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。
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