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星際大航海時代 3D打印的火星殖民夢

發(fā)布時間：

2023-02-01 09:32

　　第1頁：3D打印的“火星殖民”夢

　　【中關(guān)村在線辦公打印頻道原創(chuàng)】宇宙蒼穹，浩瀚星海，世間萬物變化多端，奧妙無窮。這一切無時無刻不對整個人類充滿著極大的誘惑。探索神秘和多彩的未來世界，遨游充滿著無限生機(jī)的宇宙太空。探索的步伐從未停止，一直在繼續(xù)……

　　100多年來，火星之行的想法一直推動著科幻小說的發(fā)展，自太空時代開始，就不斷有人提出各種方案。1957年10月4日，前蘇聯(lián)采用改裝的P－7洲際導(dǎo)彈把世界上第一顆人造地球衛(wèi)星送入太空。1961年4月，尤里·加加林成為第一個被發(fā)射入太空的人類，實現(xiàn)了人類夢寐以求的飛天愿望，開創(chuàng)了載人航天的新時代。

　　1969年7月20日，“阿波羅11號”登月艙在月球“靜海”區(qū)安全著陸，美國3名宇航員阿姆斯特朗、奧爾德林與柯林斯登上月球，實現(xiàn)了人類幾千年的夢想，使嫦娥奔月的神話變成了現(xiàn)實，人類探索太空的成就達(dá)到了新的高峰。1981年4月12日，NASA發(fā)射了第一架航天飛機(jī)哥倫比亞號，自那時起，人類不斷改進(jìn)空間探索的設(shè)備，向著更為廣袤的宇宙銀河進(jìn)發(fā)……

　　1989年，老布什政府的“載人登陸火星計劃”因費用超過5000億美元而擱置。2010年，奧巴馬政府呼吁美國航天局打造“影響深遠(yuǎn)的探索里程碑”。NASA計劃在21世紀(jì)30年代中期把宇航員送上火星……

　　人類在探索宇宙的進(jìn)程中不斷提出新的計劃，雖然尚未實現(xiàn)，但在人類探索史上寫下了濃墨重彩的一筆。不過，憑著近幾年人類與火星的不斷“親密接觸”，我們與太空的故事似乎又多了起來，而3D打印技術(shù)的參與，讓這項本來就十分偉大的壯舉變得更加神秘。

　　第2頁：揭開3D打印的“神秘面紗”

　　揭開3D打印的神秘面紗

　　3D打印被譽(yù)為自20世紀(jì)90年代興起互聯(lián)網(wǎng)以來熱門的技術(shù)，甚至將其稱為第三次工業(yè)革命，是一種可以做到“無所不能”的打印技術(shù)。但是3D打印技術(shù)到底是什么？

　　在了解3D之前，我們先來了解一下什么是3D，3D是英文“3Dimensions”的簡稱，中文的意思就是三維、三個維度、三個坐標(biāo)，即有長、寬、高。換句話說，就是立體的，屬于空間概念，由X、Y、Z三個軸組成的空間，是相對于只有長和寬的平面（2D）而言的。

　　3D打印也成三維打印，工業(yè)上被稱為快速成型，專業(yè)術(shù)語為增材制造。打個比喻，3D打印好比是這項技術(shù)的“乳名”，快速成型是它的“學(xué)名”，增材制造則是它的“專業(yè)術(shù)語”。

　　3D打印雖然聽起來距離我們的生活比較遙遠(yuǎn)，多數(shù)人對此還比較陌生，但事實上，“3D”離我們并不遙遠(yuǎn)，早已“走進(jìn)尋常百姓家”，比如，當(dāng)我們走進(jìn)電影院看3D電影，需要戴上一副3D眼鏡，這樣我們看到的電影就是一系列立體的場景，即3D圖像，其原理如上圖所示：

　　觀看者的左眼只能看到左視圖，右眼只能看到右視圖。所以同時從兩個不同的角度觀看時，左視圖和右視圖就成了一個立體場景的圖像，即三維圖像。如果將我們所看到的3D圖像進(jìn)行反向思考，就可以想象到立體圖像實際上是二維圖像的疊層，這樣理解3D打印就容易多了。

　　所謂3D打印，是將其數(shù)據(jù)分成很多橫截面的二維層，然后使用安裝的材料進(jìn)行逐層構(gòu)建，3D打印被認(rèn)為是一個從無到有逐漸添加的過程，與傳統(tǒng)制造技術(shù)所用的切割、鉆孔、銑削或加工的減材制造方法正好相反。

　　1984年，美國人CharlesHull研發(fā)了3D打印技術(shù)，并于1986年取得3D系統(tǒng)專利，同時，開發(fā)出“立體光刻設(shè)備”，被認(rèn)為是有史以來第一臺3D打印機(jī)。

　　按照工藝的不同，3D打印技術(shù)又細(xì)分為熔融沉積成型技術(shù)（FDM）、選擇性激光燒結(jié)技術(shù)（SLS）、數(shù)字光處理技術(shù)（DLP）、光固化技術(shù)（SLA）以及分層實體制造工藝（LOM）等幾種，不同的3D打印技術(shù)運用的材料也不一樣，SLA主要采用光敏樹脂材料，F(xiàn)DM工藝則以ABS材料為原料，SLS主要是尼龍材料。

　　常見的3D打印技術(shù)及其國內(nèi)外代表企業(yè)技術(shù)類型打印原理材料范圍國外代表公司國內(nèi)代表公司FDM材料擠出熱塑性材料Stratasys、MakerBot北京太爾時代Polyjet、MJM材料噴射光敏聚合物、蠟Objet、3DSystems康碩集團(tuán)3DP粘合物噴射金屬粉末、陶瓷粉末、砂、石膏Exone、3DSystems?LOM薄片層疊紙、金屬箔、塑料薄膜Helisys、Mcor濱湖機(jī)電光固化VatSLA、DLP光敏聚合物3DSystems陜西恒通、聯(lián)泰三維DMLS、SLS、SLM、EBM、SHS粉末床融合鈦合金、鈷鉻合金、不銹鋼、鋁、金屬、陶瓷、尼龍粉末3DSystems、EOS、ReaLizer、Arcam北京隆源、湖南華曙、華科三維、西安鉑力特。

　　目前，3D打印已經(jīng)廣泛應(yīng)用在生活的各個領(lǐng)域，如今，3D打印的人體植入物、牙冠、助聽器已經(jīng)存在于世界各地成千上萬人的體內(nèi)?？茖W(xué)家正在嘗試?yán)?D打印機(jī)直接打印活性組織和新器官，如果變成現(xiàn)實，器官捐獻(xiàn)將不再需要，人類將擺脫疾病、殘疾。在建筑行業(yè)里，設(shè)計師已經(jīng)接受了3D打印的建筑模型，這種方法快速、成本低、環(huán)保，而且制作精美。完全符合設(shè)計者的要求，同時能節(jié)省大量材料與時間。

　　在生活中3D打印可以創(chuàng)造更多的個性化產(chǎn)品，比如，手機(jī)外殼、珠寶首飾、服裝、鞋類、食品、文化創(chuàng)意作品等。在工業(yè)領(lǐng)域，傳統(tǒng)的制造工藝往往會浪費很多時間和成本，某些技術(shù)難度大的產(chǎn)品甚至無法開工，而3D打印技術(shù)使得那些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的產(chǎn)品制造起來更加簡單，而且有效節(jié)約了時間和成本。那么，今天我們就來單獨探討3D打印技術(shù)在太空開發(fā)（殖民火星）方面發(fā)揮的作用和進(jìn)展。

　　第3頁：NASA登錄火星“三部曲”

　　NASA登錄火星“三部曲”

　　2015年10月10日，英國《每日電訊》報網(wǎng)站曾發(fā)表一篇文章，題為《美國航天局計劃到本世紀(jì)30年代建立“獨立于地球”的火星殖民地》，文章指出，美國航天局（NASA）介紹說，到本世紀(jì)30年代，人類將完全獨立于地球的火星殖民地生活和工作。該機(jī)構(gòu)還公布了在火星上建立永久定居點的計劃，詳細(xì)闡述了要打造“深空居住設(shè)施”充當(dāng)通往火星的踏腳石。NASA稱這一任務(wù)是“歷史創(chuàng)舉”，其意義不亞于早期移民登陸美洲和人類登陸月球。

　　NASA把征服火星任務(wù)分為三個階段：有賴于地球、試驗場和獨立于地球。未來幾十年，NASA將繼續(xù)從國際空間站上的實驗收集信息，以便宇航員能夠在深空中生活而不遭受輻射帶來的健康問題和微重力的影響。在國際空間站以外的首批實驗將在地球之間的空間站進(jìn)行，然后開始往遠(yuǎn)處進(jìn)發(fā)，后一步是把載入飛船送入火星的軌道或者它的某個衛(wèi)星，然后宇航員終登上火星表面，使用模塊化構(gòu)架和3D打印建立殖民地。

　　地球與火星軌道的近距離約為3400萬英里，據(jù)科學(xué)家估算，載人航天器需要5到10個月才能到達(dá)火星，在這么長的時間內(nèi)，宇航員需要的抗射線防護(hù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于地球，登錄火星需要大量飛行設(shè)備、保護(hù)設(shè)備、食物和燃料。而一旦“殖民火星”獲得成功，還需要一個足夠大的基地，以容納適宜長期居住的生活區(qū)，以及大量的生命維持系統(tǒng)和補(bǔ)給?？傊痪湓?，如果人類真的實現(xiàn)了登陸火星的夢想，如何解決人類在火星上的衣、食、住、行等方面的問題呢？

　　第4頁：行：3D打印的飛行器部件

　　人類若想殖民火星，第一步首先需要使用飛行器將人類送上太空，此時，穿梭于地球和火星之間的飛行器就成了必需品。1981年，自人類歷史上第一架航天飛機(jī)——美國“哥倫比亞”號航天飛機(jī)升空之后，為人類自由進(jìn)出太空提供了很好的工具，是航天史上的一個重要里程碑。3D打印技術(shù)雖不能打印出整架航天飛機(jī)或者飛行器，但在飛行器零部件的打印方面還是可以起到一定作用的。

　　SpaceX（太空探索技術(shù)公司）在2014年1月6日發(fā)射的獵鷹9號火箭之中也應(yīng)用了3D打印技術(shù)。其SuperDraco引擎是以Inconel合金為材料，利用3D打印技術(shù)制作而成的。

　　美國宇航局對外宣稱，他們已經(jīng)打造了一個3D打印的渦輪泵，并成功完成了對它的測試。渦輪泵是火箭發(fā)動機(jī)核心的部件，主要用途是產(chǎn)生高壓流體供給燃燒室，3D打印渦輪泵有助于節(jié)省時間和金錢。這個3D打印的渦輪泵僅零部件數(shù)量就比使用傳統(tǒng)方法制造的渦輪泵少45%。

　　NASA已經(jīng)完成了這個3D打印的渦輪泵的一系列測試，在這次測試中，3D打印的渦輪泵轉(zhuǎn)速高達(dá)90000rpms，在測試中，這個渦輪泵每分鐘可傳送1200加侖的液氫，這些液氫的溫度低至零下400華氏度。

　　SpaceX（太空探索技術(shù)公司）在2014年1月6日發(fā)射的獵鷹9號火箭之中也應(yīng)用了3D打印技術(shù)。其SuperDraco引擎是以Inconel合金為材料，利用3D打印技術(shù)制作而成的。

　　美國宇航局對外宣稱，他們已經(jīng)打造了一個3D打印的渦輪泵，并成功完成了對它的測試。渦輪泵是火箭發(fā)動機(jī)核心的部件，主要用途是產(chǎn)生高壓流體供給燃燒室，3D打印渦輪泵有助于節(jié)省時間和金錢。這個3D打印的渦輪泵僅零部件數(shù)量就比使用傳統(tǒng)方法制造的渦輪泵少45%。

　　NASA已經(jīng)完成了這個3D打印的渦輪泵的一系列測試，在這次測試中，3D打印的渦輪泵轉(zhuǎn)速高達(dá)90000rpms，在測試中，這個渦輪泵每分鐘可傳送1200加侖的液氫，這些液氫的溫度低至零下400華氏度。

　　下一步，美國宇航局正在研發(fā)下一代宇宙飛船技術(shù)，當(dāng)宇宙飛船在返回太空中飛行時，會遇到極端高溫的環(huán)境，如何隔熱成為一大難題。目前陶瓷是一種常見的材料，航天飛機(jī)再入大氣層就利用陶瓷進(jìn)行隔熱，研究人員利用3D打印技術(shù)制作個性化的陶瓷部件，這個技術(shù)有個特點，可避免陶瓷開裂。在高超音速飛行器的制造上，陶瓷將有更大的發(fā)揮空間。高超音速飛行器從紐約飛到東京只要幾個小時，速度為10倍音速，將產(chǎn)生極大的高溫表面。研究人員希望建造高超音速飛行器時使用陶瓷工藝，用于飛行器的整個外殼制造。

　　殖民火星，當(dāng)然少不了各種飛行器，3D打印在航天飛行器部件制造方面有著得天獨厚的技術(shù)優(yōu)勢，不僅能夠縮短航天裝備的研發(fā)周期，提高材料的利用率、節(jié)約成本，還能優(yōu)化零件結(jié)構(gòu)、減輕重量，減少應(yīng)力集中，增加使用壽命。如果利用3D打印技術(shù)解決了飛行器問題，探索太空的步伐將會變得更加堅實。

　　第5頁：食：3D打印食物自給自足

　　吃飯、喝水對于生活在氣球上的人來說，是一件再平常不過的事情了，但是，在失重環(huán)境下的太空生活，宇航員的飲食就變得不同了，可以說，宇航員的營養(yǎng)需求、食品制備、供給和進(jìn)食方式等都有一定的特殊性，與地面上的生活飲食有著很大的不同。

　　宇航員在航天飛行活動中如何進(jìn)食，對于他們來說考驗不小。在失重條件下，一杯盛滿水的杯子朝下或者朝上放都是一樣的。杯子里的水不會自動漂浮或者灑落出來，如果放在桌子上，杯子就會連同水一起飛起來。所以，宇航員在地面上原有的吃飯、喝水習(xí)慣到了太空就完全不能再用了。

　　在太空中，3D打印技術(shù)能不能幫助宇航員解決吃的問題呢？這一點，NASA居然做到了。NASA表示，為了給宇航員提供更加豐富的食物，在味覺和心理上對宇航員進(jìn)行安撫，他們已經(jīng)能夠利用3D打印來做出可食用的東西。

　　早在2013年，NASA就已經(jīng)聯(lián)合Systems&MaterialsResearchCorporation（SMRC）研制3D食物打印機(jī)了，終他們通過這款食物打印機(jī)打印出一個粗糙版本的披薩，打印完成以后只需近70秒時間就可以將其烹熟。SMRC公司還從NASA那里得到了125000美元的投資來開發(fā)這個項目。

　　SMRC創(chuàng)始人AnjanContractor開發(fā)的食物打印機(jī)在暗盒里放入了面粉和油，用戶還可以根據(jù)需要添加糖、碳水化合物、蛋白質(zhì)和其他基本原料，據(jù)說，這些東西可在里面保存30年。打印機(jī)的第一層是面團(tuán)，這層面團(tuán)在打印機(jī)的底部經(jīng)過加熱板進(jìn)行烘焙，然后打印出用油和水做成的番茄層，后打印上蛋白質(zhì)層。

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