太空探索需要增材制造的6个原因

人类与太空的关系在一生中发生了巨大的变化。曾经遥不可及的广阔空间现在是技术、工业、医学甚至旅游业的下一个前沿。对更多卫星的需求、越来越频繁的太空任务、计划中的月球上的阿特米斯基地和其他企业都在制造方面带来新的挑战。增材制造（AM）可能不是所有这些挑战的答案，但这项技术有许多机会来帮助和协助太空探索。

本文分享的增材制造的六个机会，有些仍在未来，有些现在就在发生。

△像这个由Masten Space Systems设计的燃烧室可以通过3D打印来减轻重量，并利用先进的金属基复合材料。

1. 将飞行器送入太空

如今，太空飞行逐渐从一次性任务转向重复性任务，因此需要制造可重复使用和更有效的运载火箭。此外，发射的频率和发射的数量预计将继续增长。十年前只有12家发射公司，而今天有320多家。这些公司和空间机构正越来越多地将推进器和发动机等复杂部件转向增材制造，因为3D打印可以帮助减轻重量并提高性能。LIA航空航天公司的首席执行官Dan Etenberg，介绍了他的公司是如何凭借增材制造技术创造出包含再生冷却功能的下一代火箭发动机的。他说，金属3D打印可以 "在更小的空间内以紧凑的方式建造"，除了减轻重量和提高燃料效率外，还能减少占地面积。

2. 制造在太空中使用的系统

卫星网络、轨道飞行器、漫游车等都可以从增材制造的设计中受益，而且这些系统的数量只会越来越多。在未来十年内，将有三到四个商业空间站加入国际空间站的轨道，英国的空间能源公司正在努力开始轨道太阳能发电厂的工作，发电厂将以微波形式向地球发送能量。3D打印部件已经存在于火星上的毅力号探测器和各种卫星等系统中；增材制造可以提供复杂的几何形状或克服这些部件的制造挑战，预计会有更多的部件。增材制造材料的特殊特性，如防静电（ESD）特性和耐热性，对这些项目也很重要。

△卫星、太阳能工厂和像这里展示的猎户座飞船这样的交通工具将受益于增材制造部件。图片来源：美国国家航空航天局

3. 生产零部件美国宇航局科技办公室副主任R.G.克林顿描述了目前通过备件维护国际空间站的挑战；在任何时候，国际空间站和地球上都储存着成千上万的备件，但只有一小部分被使用过。在太空中使用3D打印来生产零件将有助于缓解备件带来的供应链和库存挑战；在原地打印这些部件可以减少浪费并简化物流。太空制造成功地展示了在太空中用零重力打印机进行聚合物的3D打印，这是2014年在国际空间站上使用的挤出式3D打印机。最近的项目集中于其他材料的3D打印，如陶瓷和金属，甚至使用结合3D打印和数控加工的混合系统。能够在太空中3D打印工具、替换零件等，将是实现更长时间的太空任务和潜在的进一步探索的关键。

△扳手是2014年在国际空间站上根据从地球发送的设计文件3D打印的，其他工具和备件将来也可以在太空中制造。图片来源：美国国家航空航天局

4. 为地球制造产品

此外，还可以利用增材制造进行在轨制造（IOM），生产出今天在地球上难以或无法制造的物品。Curtis-Rouse描述了为洋底电缆生产光纤的挑战；虽然在地球上可以生产这些光纤，但它们的长度是有限的，而且冷却速度会产生气泡。当在微重力下生产时，光学器件几乎是半透明的，可以很容易地变长。其他行业，如半导体和药品，也可以从微重力下的生产中受益。掌握微重力下3D打印的力学原理，可以扩大增材制造的能力；有一些挑战，比如对支撑结构的需求，甚至可能通过在轨道上打印而得到解决。

5. 建造栖息地和基础设施

NASA的Artemis任务最终将在月球表面建立一个基地，其中除了栖息地和后来的生产设施，如温室、炼油厂和发电厂，还包括发射台和道路等基础设施。3D打印将是该建筑的一部分。由于将建筑材料运送到太空的成本很高，从月球到火星的行星自主建造技术或MMPACT项目（克林顿是该项目的主要研究者）正在探索使用月球的泥灰作为建筑材料，结合来自地球的粘合剂，对这些结构进行3D打印。使用这种原料的机器人3D打印系统将允许在月球表面进行自主建设，没有浪费并使用当地材料。

△MMPACT项目的合作伙伴之一ICON公司的这张效果图说明了月球上3D打印的栖息地可能是什么样子。图片来源：ICON

6. 装备栖息地

MMPACT项目还在探索月球装备，或者像克林顿描述的那样，在月球上或其他地方建造的栖息地、温室、实验室和其他结构将不仅仅是有墙壁、地板和屋顶就够了。还需要额外的物品，如家具、工具、传感器和实验室设备，以使这些结构具有功能性和宜居性。与其从地球上运输椅子、氧气传感器和工作台等物品，不如应用3D打印技术在现场生产这些物品--甚至可能使用月球岩石或从退役运载火箭或其他设备回收的材料。