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文|焉子看世界
編輯|焉子看世界
前言
空間探索和居住在其他天體是技術進步的重要裡程碑，在月球和火星上建立人類殖民地将成為進一步探索太空的門戶，有可能擴大可供使用的自然資源。
有一些障礙阻止人類簡單地在那裡定居，這些障礙主要包括依賴資源的交通和惡劣的生活條件，沒有合适的栖息地，人類無法生存。與地球相比，缺乏大氣層使宇航員暴露在強烈的太陽輻射、缺氧和壓力下，并有可能受到流星體的撞擊。
月球或火星上的潛在栖息地需要厚而堅固的結構，能夠承受人工制造的内部大氣并吸收大部分入射輻射。
太空栖息地的3D列印技術有何進展？未來會存在怎樣的挑戰？
3D列印技術
添加制造或3D列印是各種基于逐層建立對象的制造技術的總稱，這些技術在可被它們處理的材料、這些材料的狀态、固化方法和可能的幾何形狀方面有所不同
擠壓沉積原型模組化基于在薄層中沉積半固态材料，該材料被擠壓成細絲，并在沉積時固化，因為它是部分固态的。該工藝的另一個名稱是熔融沉積成型(FDM)，為了改變沉積焊絲的厚度，可以改變噴嘴尖端的尺寸和形狀。
根據用于列印的材料，液化器可以設定為不同的溫度以獲得最佳粘度。在層沉積過程中，頭部根據計算機輔助制造軟體設定的模式沿x-y軸移動。
沉積一層後，帶有印刷支架的平台沿z軸下降，并沉積下一層。由于沉積材料的狀态，層通常可以固化成預期的形狀；然而，對于更複雜的形狀，可能需要可溶解的支撐結構，這需要在後處理過程中去除。
用于FDM的主要材料包括熱塑性材料，如聚己内酯(PCL)、聚醚醚酮(PEEK)、丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、尼龍和聚乳酸(PLA)。然而，用金屬、糊狀陶瓷甚至巧克力來完成這一過程也是可能的，盡管很困難。
可以根據所需的機械性能和溫度特性來選擇材料，并且FDM頭的液化器和噴嘴必須具有合适的直徑，并且能夠承受處理溫度。溫度剛好低于熔化溫度，并且在印刷室中使用了惰性氣體如氩氣，以確定在固化過程中具有更好的粘附性。
立體平版印刷是一種使用光聚合過程印刷零件的方法，最初呈液态和單體狀态的聚合物樹脂在細光束下聚合并固化。通常，使用的光是紫外(UV)雷射或數字光處理(DLP)投影儀。
光束沿着CAD軟體訓示的路徑通過浴槽中未連接配接的樹脂。當一層完成後，浴槽降低，額外的樹脂加入其中。然後雷射照射新沉積的樹脂。最後，需要用溶劑清洗零件以去除未連接配接的樹脂。
由于可能具有非常窄的光束，立體平版印刷具有非常高的分辨率，并且與其他3D印刷方法相比能夠實作非常低的壁厚。
典型地利用支撐結構，允許甚至更複雜的形狀，但是它們必須在後處理期間被移除。由于這種方法依賴于聚合物交聯，材料選擇嚴格限于這些聚合物，這可能相當昂貴。
選擇性雷射燒結(SLS)是一種類似于先前讨論的立體平版印刷術的技術，除了所使用的材料是塑膠、玻璃、陶瓷或金屬粉末。粉末被放置在印刷槽中，雷射沿着CAD軟體指定的層路徑前進。
這一層完成後，熔池降低，新的粉末層沉積下來，重複這一過程。值得注意的是，在這種印刷方法中，不需要使用支撐結構，因為周圍的粉末足以支撐所得結構，這允許在沒有額外投資的情況下生産相當複雜的形狀。
固态燒結在接近但低于所用材料的熔化溫度的溫度下進行，在該溫度下，粉末顆粒表面的自由能變低，使得顆粒融合在一起并是以燒結。這種機制類似于陶瓷的燒結，但是是局部的。
化學誘導結合通常與陶瓷材料相關，并且基于雷射誘導與粉末成分的化學反應，是以發生結合。例如，由碳化矽和二氧化矽的混合物組成的部件可以通過這種方法制造，因為初始碳化矽粉末部分分解，矽形成氧化物，作為剩餘粉末的粘合劑，在液相燒結的情況下，需要粘合劑的存在。
包含粘合劑的一種方法是使其以粉末、塗層的形式與主要材料分離，或者簡單地融合在同一粉末顆粒中。還有一種方法是讓主料部分熔化，自己充當粘結劑。這個子過程也被稱為選擇性雷射熔化。由于粘結劑内含物的多樣性，許多材料都适用于這種SLS變化。
SLS方法的主要優點是，一旦确定了最佳加工方法和最佳條件，就可以使用多種材料。由于材料的加工方式與鑄造或燒結過程中的加工方式相似，是以最終零件具有較高的機械性能。無需支撐結構即可實作的複雜性也是一個重要的優勢。
這種方法的缺點包括這樣的事實，即通常不可能生産完全封閉的形狀，因為在不損壞零件的情況下，很難除去截留在零件内部的粉末。此外，這種方法的表面品質不如其他方法好，因為粉末顆粒不是那麼小，是以通常需要額外的後處理。
材料噴射制造技術類似于立體平版印刷法，因為所用的材料是光聚合物。不同之處在于材料沉積的方式，因為不是完全填充浴槽，而是僅将所需量的樹脂放置在該位置。這種樹脂被光束立即固化。
這樣，使用的樹脂量顯著減少；然而，對于或多或少複雜的形狀，絕對需要使用支撐，因為周圍的樹脂沒有支撐。與立體平版印刷術相比，這種技術的一個巨大優勢是可以使用不同樹脂的多個印刷頭，允許構造具有不同屬性(如顔色)的部件。PolyJet 3D列印機使用這種技術。
粘合劑噴射印刷工藝基于将粘合材料沉積到主要材料上，主要是沙子和玻璃36].Inkhead遵循CAD軟體指定的路徑，将粘合材料沉積到粉末上，然後降低熔池，由額外的粉末層覆寫，重複該過程。
通常在層沉積之間，前一層被加熱以幹燥粘合劑，進而固化建構的層，該過程類似于SLS，除了粘合劑被沉積到材料上，而不是被雷射激活。就像在SLS工藝中，零件經常需要被塗覆以減少粉末粗糙度。
多餘的粉末需要從零件上去除，這使得全封閉零件的生産變得複雜；并且由于粉末支撐，支撐結構的使用不是必需的。D-shape列印技術是這一過程的變體之一，它适用于大型結構，被認為是在地球以外的表面建造太空栖息地的方法之一。
對太空栖息地的需求
在将人類送入太空和其他天體之前，建立必要的條件以保持人類的安全和健康至關重要。舒适的住宿保證了任務成功的機會大大增加。
在地球上，人類适應大氣條件，受大氣保護免受空間輻射，并獲得維持生命的必需品，如氧氣、水和食物。在太空中，特别是在月球和火星上，與地球相比，大氣層幾乎可以忽略不計，維持生命的資源不容易獲得，甚至不存在。為了讓人類在其他天體上生活更長的時間，必須維持類似地球的條件。
首先，人體需要的氧氣濃度、壓力和溫度與地球上的大氣條件相似。這可以通過宇航服來提供，目前已經在短期着陸中使用，也可以通過封閉場所内的人工大氣來提供。對于長期任務，第二種選擇更可取。
這産生了對潛在的行星栖息地的結構要求，以承受人造大氣在栖息地壁上的内部壓力，最小化人造大氣的潛在洩漏，并且能夠承受由白天的高溫、夜間栖息地外部的低溫和栖息地内部人類舒适的溫度的組合所造成的熱負荷。
人類在其他星球上存在的另一個緊迫問題是空間輻射，這在月球或火星上基本上沒有庇護，不像在地球上有濃厚的大氣層。即使有可能在地球以外的星球上建立一個完全可持續的定居點，人類在這些定居點安全居住的時間也會受到空間輻射的限制。
在為期180天的登月任務中，降低風險的一種方法是隻派遣超過一定年齡的男性宇航員，但即使這樣，風險也很高。對于火星任務來說，由于轉移時間長，即使停留時間短，時間也要長得多，是以風險要高得多。
然而，3D列印可以通過利用原材料作為盾牌，以意想不到的方式幫助這種情況。如果原材料儲存在宇宙飛船的壁中，它會增加壁厚，這是輻射屏蔽的一個主要因素。
在行星表面，栖息地的牆壁必須足夠厚，以吸收進入的輻射并保護裡面的人類。此外，必須特别關注被派往行星執行任務的宇航員的健康，特别是在與惡性良性腫瘤學和心髒病有關的遺傳學方面。這可以大大降低因輻射過量而死亡的可能性。
說到消耗性資源，可以從地球上運過來。然而，在長期任務中，由于與額外有效載荷相關的額外任務成本，這不是最佳解決方案。從圖中可以看出圖8和圖9每個人的可消耗資源量非常高。
是以，能夠在行星前哨站本身生産和/或維持必要的項目将是友善的。此外，人類的排洩物應該回收或至少銷毀，以避免在地球上堆積廢物。這些解決方案都與産生和回收人類消耗品所需的額外裝置相關。
除此之外，還需要工具來處理這些消耗品，當談到食物和水時，需要盤子、玻璃杯和餐具，當談到衛生時，需要管道系統。受傷時，如果正常的外科手術是不夠的，生産生物醫學植入物的能力變得非常有益。
使用3D列印，可以友善地快速制造這種工具和零件，并且在損壞時可以回收它們。使用FDM技術，可以與各種各樣的材料，所需的項目可以很容易地在現場生産。唯一必須從地球帶來的物品是列印機零件和原材料(比生産的工具占用的空間少)。易回收性彌補了工具可能的低機械性能。
在其他星球上的其他人類需求中，重要的是考慮減壓和團隊建設活動，因為執行任務的人的良好精神狀态對任務的成功至關重要。
心理健康影響職業道德、決策和團隊工作能力，而這些對于預防事故死亡至關重要。為了确定精神健康的最佳條件，人們正在模拟人類在暫時和部分隔離條件下的行為。
然而，有助于緩解壓力的物品通常不會大量購買，因為它們對任務的成功并不重要；是以，能夠列印它們也很友善。例如，一盤國際象棋(棋盤和小雕像)可以用熱塑性塑膠列印。隐私對宇航員的精神狀況也很重要；是以，仔細規劃栖息地布局非常重要。這可能會影響材料的消耗量。
出于月球栖息地必須滿足的需求，栖息地結構本身提供了對惡劣環境的保護。它必須提供保護，免受空間輻射、潛在的流星體撞擊、缺乏可呼吸的大氣、低重力和變化的溫度。
雖然輻射屏蔽是通過用厚材料加強栖息地的牆壁來實作的，但其他問題可以通過在建築物内産生人工氣氛來解決。與人類舒适的壓力相比，月球表面的壓力非常低。由于這個原因，充氣結構已經被提議作為栖息地的核心。
與外部壓力相比，該結構内部所需的壓力必須較高，并且用于可膨脹結構的材料具有相對較輕的重量，并且從大氣形成和運輸的角度來看是最佳的。
輻射防護和流星體撞擊的問題可以通過利用風化層作為加強物來解決，為栖息地創造厚而堅固的牆壁，保護充氣結構免受損壞，這對于大氣的可持續性至關重要。
尾聲
雖然在地球上可以用于3D列印的材料有很多種，但隻有非常有限的數量可以合理地運輸到太空。用足夠的材料建造一個或多個栖息地似乎是不現實的，尤其是考慮到牆壁必須厚而堅固才能保護人類免受危險環境的影響。
是以，當建造生境時，有必要使用原位資源，并且有可能利用原位資源來合成可用的粘合劑。通過探索行星的地下，有可能挖掘和建造一個地下避難所，由于潛在的高牆壁/天花闆厚度，它可以提供高度保護，免受流星體撞擊和輻射。
要使這成為可能，還需要更多的探索。如果原始資源是不可用的，也許合成印刷材料的可能性将會打開，一旦更多關于這些資源的可用性的資訊是已知的。這将需要額外的能源和可能複雜的裝置，但結果可能會使火星殖民地從地球上獨立出來。
參考文獻：
太空3D列印 Neil Leach; 朱蔚然 建築技藝 2020
太空3D列印開啟太空制造新時代 黃志澄 國際太空 2015
3D列印衛星天線工程塑膠開啟太空之旅 塑膠制造 2015