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欧航局欲“打印”出“月球村”，3D打印技术怎样帮助人类“登天”？

2016-01-05 15:55

据香港《文汇报》消息，ESA（欧洲航天局）日前公布了使用3D打印技术在月球建造人类居住地的计划。具体内容是从2020年起，以月壤（月球泥土）为原料，创造能够取代国际空间站的永久基地。
在计划中，这一基地预计在2030年之前使宇航员入住。除了作为第一批移居月球的人类定居地被使用之外，这一基地也将被视为太空探索前线基地，推进人类登陆火星的进程。
近年来，3D打印技术在各领域方兴未艾，在航天领域的应用还未超过三年。各个国家和企业对这一技术尚处于尝试阶段。由于3D打印拥有可设计性强、节省成本等优势，其在航空领域的前景是不可限量的。
一、3D打印方兴未艾，各方纷纷布局太空
登上太空，移民其他星球，是一个老生常谈的话题。随着人们在火星上发现大量冰层、大气等和地球相似的条件后，人类就越来越热衷于研究火星，而对月球的热度逐渐减退。
不过，ESA近来却表现出了对于月球的兴趣。尤其是在NASA（美国航空航天局）表示无意引领前往月球的载人计划后，ESA就表示了想要在月球建立基地的愿望。
去年七月刚刚上任的ESA局长Jan Woerner说：“被人类抛弃了43年的月球仍然是利用现有技术的载人项目可以到达的目的地，但我们对它的了解却非常有限”。
Woerner希望和世界多个国家联手建造“月球村”，作为在月球上进行科研、采矿、太空旅游等活动的基地。
在开工之前，ESA会派机械人前往月球进行相关数据的搜集整理。基地的建造材质为可防辐射并且可以在月球就地取材的风化土。ESA材料技术部门的Laurent Pambaguian在上个月于荷兰Noorwijk召开的国际研讨会上表示，其科研小组正在进行利用月壤打印整个基地结构的技术的测试。
Pambaguian说：“地面3D打印技术已经可以产生整个结构。我们的工业小组已经在调查它是否同样适用于建立一个月球栖息地”。
对于ESA的“月球村”计划， NASA表示出支持的态度。NASA的Kathy Laurini认为：“欧洲航天局太空探索策略将月球设立为人类前往火星途中的一个重要目的地。近期有关月球村的讨论在欧洲产生了很多正能量，目前的时机非常合适，欧洲可以完成探索目标，并确保在人类探索太阳系过程中起着重要作用”。
NASA在3D打印中也投入了很大的精力。NASA一直致力于如何将3D打印应用在航空航天领域的研究。他们用3D打印技术研制出了能够移除太空设备电子元件热量的EHD技术、能够屏蔽太空射线的Spot Shielding技术等一系列有利于太空探索发展的成果。
NASA的首席技师Peter Hughes说：“我们不是想炒3D打印的冷饭或者去追求3D打印已经有的工业应用，我们感兴趣的是如何用3D打印增强我们制造一次性的、能在太空使用的工具、零件的能力，换句话说，如何让我们的强项更强”。
SpaceX（太空探索技术公司）在2014年1月6日发射的猎鹰9号火箭之中也应用了3D打印技术。其SuperDraco引擎是以Inconel 合金为材料，利用3D打印技术制作而成的。
相比于传统材质，3D打印技术制造出的航天零件的延展性及断裂强度都具有更高的水平，这也是这一技术受各国航天部门青睐的重要原因。
面对欧美快速的研发步伐，中国也不甘示弱。在今年9月发射的“长征”十一号火箭上，搭载了上海航天技术研究院研制的“浦江一号”卫星，而这颗卫星上的钛合金天线就是通过3D打印设备制造而成的。
各个国家火热的布局，能够反映出3D打印技术在太空领域的绝对优势和巨大潜力。不过，作为新兴行业，想要更好地帮助人类登天，还需要经历一些改进的过程。
二、3D打印拥有助人类“登天”的绝对优势，“前途光明”但仍需发展
3D打印技术之所以在航空领域如此受欢迎，是因为其对于太空设备制造的重要性。由于人类在太空中制造产品的能力有限，因此，太空中使用的物品都需要从地球上运送过来，而地球与太空之间存在着巨大的运输成本。
3D打印技术对于太空生产来说，是关键性的技术，能够促使太空产业化的进一步发展。可以说，3D打印技术在这方面拥有着绝对优势。
第一，3D打印可以就地取材，有利于节省巨大的运输成本。
航空航天的成本居高不下的重要原因就是运输成本高。而3D打印技术可以就地取材，比如此次ESA的月球基地搭建计划，就是以月球上本身存在的月壤为原材料。Woerner 表示：“月球上的月壤是制造固体结构的理想材料，我们可以在月球较远一面打造结构”。
另外，3D打印还可以最大限度地将太空设备进行再利用。由于人类探索太空活动的频繁，致使“太空垃圾”增多，清理它们需要花费不小的成本。而在太空中没有氧气，所以它们不会氧化。通过3D打印技术可以将这些报废的金属制作成新的零件， 既节省了成本，又很好地利用了这些废弃物，可谓一举两得。
第二，3D打印能够在太空中组装大型结构，有利于破除运载器的限制瓶颈。
目前，太空航天器的大小受其运载器的限制，如果火箭的直径小，航天器的直径也会随之被限制，这就使得一些大型空间结构的部件只能通过运载器运送到太空当中。比如当年的ISS（国际空间站）就是通过多次发射加上近地轨道组装的形式，一点点建立起来的。
如此一来，不仅需要耗费大量运输成本，还会耗费大量的时间，这就使推进空间可展开技术变得尤为重要。
而通过3D打印，可以直接在太空打印出所需部件，就地组装，大大节省了人力物力。如果将来3D打印技术能够发展到足够成熟，那么就可以在太空中直接打印机器人来进行大型结构的建设。
今年上半年，美国科技公司Tethers Unlimited开发了名为 SpiderFab 的空间制造系统，该系统可以用3D技术打印出例如天线、桁架等大型零部件。如果技术走向成熟，就可以在将来直接打印出航天器、空间站等大型主体结构。
所以说，3D打印技术可以有效地破除运载器的限制瓶颈，并推进太空产业化的发展。
第三，3D打印有利于修复航天硬件的“Bug”，并实现关于太空产品的设想。
3D打印是一项能够“化零为整”的技术，可以使太空设备具有重复使用性。以前在太空设备出现损坏时，传统的方法就是通过航天运载器将新的部件运到太空进行修复。
在1990年“哈勃”望远镜刚被送到太空时，由于镜面制造产生了误差，使其拍摄的图片非常模糊。因此不得不再一次进行航天飞行，只为了给“哈勃”送一个修正镜。
而现在，可以通过3D打印技术将其融化成原材料，再次进行打印。即使将原材料的损耗考虑在内，通过3D打印制造的原材料也比一次性的要便宜得多。
在太空中，航空设备总是会不可避免地出现一些“Bug”，如果能够通过3D打印技术进行现场制造，就能为解决这类问题带来极大便利。
除了修复“Bug”之外，3D打印技术的可设计性也让许多关于太空产品的设想更容易变为现实。比如一家具有创意的Cosmic Lifestyle（活在太空）公司为宇航员设计了能够在失重状态下使用的零重力水杯和鸡尾酒杯，这种形状复杂的几何体用3D打印技术进行铸造最合适不过了。
总的来说，3D打印技术是一门可以将人类所想进行具象化的技术，人类的创造性思维可以通过它更好地被实现。
但是，3D打印技术在太空领域毕竟刚刚兴起，因此还需进一步发展。如果要形成太空产业链，3D打印技术就要由目前的高成本逐渐转向低成本。另外，3D打印在技术层面上也需要有一个质的突破，才能更好地使这一技术得到发展。
虽然3D打印技术在太空领域尚处新兴阶段，但其未来蕴藏着无限潜力。可以有效提升效率，降低制造成本，并拥有极强的可设计性，对于人类探索太空起到极大的助力。当3D技术发展成熟后，人类移居其他星球的设想就很可能变为现实，人类“登天”的梦想在3D打印技术的帮助下会有一个飞跃性的进步。
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