太空制造

“在太空，为太空”，这是所有太空基础设施项目的口号和目标。为了设计和制造基础设施以及在月球生活所需的设备，多维打印机成为应对挑战的最佳选择。虽然三维打印早已被广泛应用于航空航天业，成为工业设计和工程领域的颠覆性技术，但它所推动的创新方式正在精简任务框架、延长执行时间，推动了精确的任务规划以及火箭设计与工程上的重大创新。

多维打印机的主要优点是：它可以廉价且快速地进行复制。因此，三维打印最早的用途是在航天器上随时随地打印工具和零件，让宇航员无须携带太多仪器，以及在设备出现故障时可以打印新的零件来进行修理。不过，三维打印不仅用来制造零部件等实用对象，它现在还要迎接一项重大的挑战：找到合适的方法建造月球任务所需的大量太空基础设施。将材料运输到太空非常困难，我们必须学会利用太空中的资源，而非从地球运输。在太空飞行任务中，飞行距离和任务的持续时间很大程度上取决于宇航员和航天器在几个月甚至数年时间里的自给自足的能力。用模具或压床来设计和制造产品存在明显的局限性，例如无论是用于保护建筑工人的聚丙烯头盔，还是维尔纳·潘顿的S型椅子，都会通过巨型模具压制成一个唯一的结构。但三维打印机几乎可以打印任何形状、任何材料的物品，也就摆脱了早先技术上的限制。此外，四维打印提供了创新的产品设计和工业工程的新方案，可以打印随温度而产生变化的材料。这些材料可以伸缩或扩展，甚至可以无缝衔接到其他组件上。在太空中，热力和微重力作用于每个物体的分子结构上，因此三维和四维打印已经成为建造未来太空基础设施最通用的技术。总部位于加州的太空制造公司将三维打印的可能性扩展到了太空中大型复杂系统的立体打印、聚合与组装上，这样宇航员就不用在太空舱外进行任何工作。“通用太空机器人精密制造和装配系统”项目的三维打印机安装了机械臂，它可以直接在太空轨道的真空空间里打印大型结构。这种方法的创新性在于将三维打印功能与机械组装相结合，让我们得以设计新的航天器和太空基础设施，并且降低卫星发射筹备或在轨道上部署组件的成本。当更多资源就地利用技术发展起来后，太空活动的成本就会更低。四维打印能够满足太空可持续发展的需求。太空运输的理想货物是这样的：虽然这些结构是三维打印的，但可以折叠起来扁平包装，在后期进行组装。只要浸入65℃以上的水里，这些结构就会自行展开，展开的速度取决于具体的水温。将编程存储器嵌入到聚合物材料中，通过一种名为“张拉整体”的方法，这些材料每次展开都会形成相同的结构。这是一种用于结构机器打印的热力学方法，有望被运用到太空建筑和室内设计之中。

为了实现资源就地利用的目标，当前的项目正在将陨石粉碎成粉末，作为坚韧而有弹性的三维打印原材料用于之后的太空基础设施建设。陨石中常见的金属元素铁、镍和钴能结合生成类似于精炼钢的金属，而精炼钢是建筑业中应用最广泛的材料。月球门户和月球村项目今后肯定要依靠这一技术。太空建造领域的项目，如斯菲罗项目或福斯特建筑事务所与欧空局合作的项目，都提出了利用三维打印技术在月球上建设居住地的计划。不过，在太空的真空环境里进行三维打印仍然存在一定困难。首先，无论是三维打印机本身还是打印材料，都必须比地球上的更坚韧，才能承受住太空里的恶劣环境。聚乳酸材料和聚乙烯醇胶黏剂都不能适应太空环境，因此无法用于太空中的立体打印。目前技术人员正在开发新的材料，如在工程中广泛使用的聚醚酰亚胺、聚碳酸酯和热塑性塑料，以便承受太空中极端的温度，在太空中进行三维打印，形成比传统打印的塑料更为坚韧的材料。

除了重新利用，直接金属激光烧结等金属三维打印技术还让我们得以重新设计发动机，并彻底改变了航天器发动机的设计和制造方式。金属的重要优点之一是可以打印出耐高温的零件，从而极大地改善火箭发动机燃烧室的设计。这样就可以制造出所需燃料更少、零件更轻便的发动机，降低制造和发射成本，减少工作量。现在，发动机的设计和制造迎来了新的创新热潮，发动机舱壁不像老式火箭发动机的那么厚了，而是由复杂图案打印成的低密度舱壁。这种舱壁只能用三维打印制成，一层一层的材料就像人体组织一样叠加。这样材料强度能达到发射所需，同时又能减轻火箭的重量，减少所需的推进剂。

三维打印的热潮向各种创新领域扩展，为几乎所有太空问题提出解决方案，对其进行充分利用能带来无限的可能性。三维打印现在已经应用于物体的虚拟展示和地图的三维可视化。欧空局和法国国家空间研究中心已经在利用三维打印技术为罗塞塔任务寻找最佳着陆点。这项任务于20年前启动，旨在对丘留莫夫－格拉西缅科彗星进行研究。在这张三维地图中，彗星被打印成三维物体，其精确度很高，可以用来评估各区域的地形状况是否适合着陆。这项天体三维可视化的技术正在被应用于月球和火星的任务：改进航天器的精度并培训宇航员应对未知地形的能力。随着三维打印的材料不再局限于塑料，技术人员也在利用这一技术寻找其他太空问题的创新解决方案。例如，空间站和航天器上的废料处理一直是长期飞行任务的一个重要问题。考虑到三维打印材料的范围—塑料、金属、灵活的丝状生物材料和超材料，以及用于打印可食用物品的藻类和葡萄皮—我们可以将航天器上产生的废料也加入其中，将其转换成可用于三维打印的“航天塑料”。这种端对端的新方法被科学家们称为“从肠到城”，他们发现人类排泄物中的细菌能生成用于打印的聚羟基丁酸酯颗粒。简单来说，就是对细菌进行基因改造，使其成为打印的材料。如果宇航员想品尝地球上的美食，日本一家名为“开放餐”的公司利用三维打印开创了电传寿司服务。只要从食品数据库中将味道、质地、营养成分、颜色、特定配料或菜肴的形状等数据传输到太空三维打印机上，打印机就可以原地将材料转化为边长1毫米的方块，如同像素化的俄罗斯方块一样。这支三维打印机小队将与打印机器人一起投身建造事业，为太空舱制造防辐射和绝缘材料层。随后这些太空舱会登陆月球，成为月球上的第一个居住区域。未来的问题不是三维打印，而是如何创建分子结构来提高打印质量，并且扩展任务范围，将所有能想象的事物都进行优化和重新设计。这也解释了为什么美国宇航局鼓励私营企业接过下一棒，进行微重力条件下新工业材料的开发，并将这一创新应用于其他领域。