3D列印技術，改變太空製造業的同時，也改變著人類的未來

2020-09-09 天文在線

將重型機械吊入太空既麻煩又昂貴。但很快，這將不再是個問題。

卡達·奧康奈爾報導。

（圖註：一個藝術家對小行星採礦前哨站的印象。）

用「複製器」按所需創建任何物品，是星際迷航中成員的一大技能優勢。在當今現實世界中，太空任務所需的一切——從工具到食物和藥品——都必須在地球上製造完成後，然後運輸到軌道上。這些高昂的花費也限制了我們對太陽系的探索。然而這一切都將改變。

一些公司早已在太空中用3D列印技術代替了工具。接下來我們能看到繞軌道運行的工廠製造產品在地球上銷售，又或是建造足球場大小的衛星自動化機器人。之後將有潛在可能在其他星球建立棲息地，使用其他星球上的自然資源，或是利用小行星來補充地球日益減少的金屬儲備。

這些科技將使人類從暫時進入太空發展變成永久存在。

3D列印工具

航天機構通常在載人任務中裝載大量的備件，以應對所有可能的突發事件——發射每公斤的成本約14000美元。國際空間站（ISS）內，這些備用品的估價為14億美元。大部分備用品永不會用到。

（圖註：自2011年以來，《太空製造》已經承擔了超過3萬小時的3D列印技術測試。美國國家航空航天局）

但要是有一種方法能在需要的時候，在太空中製造出幾乎所有物品，或在一部分物品使用後融化掉再重塑使用會是怎樣呢？我們正在向這方面發展。

在2014年，美國公司太空製造（Made In Space）首次將3D印表機送去ISS，它被用來證明在微重力下列印出來的零件和在地球上列印出來的一樣堅固。

兩年後，此公司開創了二代3D列印技術，被譽為先進的生產設備（Advanced Manufacturing Facility），此後它一直為NASA和其他實驗人員提供製造服務。迄今為止，該公司專注於塑料但其正在研製的VULCAN系統也將能夠列印金屬。

另一些美國公司，繫繩無限公司（Tethers Unlimited），在11月5日將他們的3D印表機送往ISS。Refabricator的特點是能回收利用塑料，包括大量投放包裝填料，將其轉化為3D列印材料，節省特種列印燈絲的製作成本。

也許這方面最極端的想法是回收人類的排洩物。加拿大卡爾加裡大學(University of Calgary)的研究人員正在設計細菌，將人類排洩物轉化為「天體塑料」(astroplastic)，一種名為聚羥基丁酸的3D列印材料。

在軌工廠

顯著的挑戰是克服填充物在太空中喪失地心引力。沒有地心引力意味著沒有對流，也就擾亂了熱傳遞。但是對於太空工程師來說，最初的問題可能是讓第一個軌道工廠離開地面的關鍵因素。

高質量的光纖對洲際通信和高速網際網路至關重要。目前網際網路和電信行業都是建立在矽基纖維的基礎上，但另一種基於氟化玻璃的纖維ZBLAN(來自鋯、鋇、鑭、鋁和鈉元素)的效率可能要高得多。問題是，至少在地球上，對流導致ZBLAN中形成微小的微晶體，使得ZBLAN多雲，效率較低。

1998年美國的光導纖維製造者Thorlabs試圖在「嘔吐彗星（vomit comet）」上製造ZBLAN材料。「嘔吐彗星（vomit comet）」會在一分鐘左右的自由下落過程中模擬微重力的飛機飛行，並且它成功了。在微重力條件下製造的ZBLAN纖維有更少的微晶體，而且傳輸能力更強。

如今太空製造（Made In Space)與Thorlabs合作，看他們是否能製造出在太空中使用的高品質光纖。他們的光纖製造者在2017年10月將製造品發射到國際空間站，目前正在進行第一次試驗，有可能從4公斤的原材料中提取出4公裡長的纖維。如果成功了，這將是首次有人在太空中製造出商業產品。

太空建設

足夠諷刺的是，在空無的太空中，太空人的生活和工作範圍都不能超過貨櫃。這是因為所有ISS中的組件，我們送入軌道的所有事物，都被發射火箭的尺寸所限制。

但如果我們能在太空建造，我們就有可能建造出在地球上承受不住自身重量的巨大建築:更寬敞的空間站，足球場大小的望遠鏡，能接收巨大太陽能的巨型衛星。當然也有專門的部分，例如柔性焦距透鏡組和太陽能電池將仍需要在地球上製造，而將一切連接在一起的支架當然可以在軌道上製造和組裝。

軌道建造師的第一個例子是太空製造（Made In Space)的Archinaut。這是一個內置3D印表機的機器人組裝機器。他的印表機擠壓支柱和連接器，手臂按到需要的位置。它像個太空樂高。Archinaut可以使用美國宇航局批准的以聚碳酸酯為基礎的高強度塑料，這種塑料的強度足以在低應力軌道環境下將巨大的太空結構連接在一起。Archinaut已經在「嘔吐彗星（vomit comet）」上的真空測試和微重力測試中證明了自己，並將於2019年發射到國際空間站。

小行星礦業

最終，甚至建築的原材料也可能來自太空。行星資源公司是由谷歌聯合創始人拉裡·佩奇和維珍執行長理察·布蘭森等投資者於2009年在美國成立的。這是他們的第一步嗎? 開採小行星。投資公司高盛(Goldman Sachs)預測，世界上第一個億萬富翁將在這個新興行業賺大錢，這可能成為21世紀的淘金熱。

技術

最需要的事情就是找到一些富含黃金或鉑等貴金屬的小行星。不幸的是，雖然有大約18000顆小行星在軌道上接近地球，但其中只有大約4%可能含有貴重金屬。因此，該行業面臨的最大挑戰之一是勘探工作，這就是為什麼包括英國的小行星採礦公司在內的幾家公司正在致力於架設衛星，以便掃描太空巖石，尋找潛在的金礦。

其他公司，包括總部位於美國的行星資源公司(Planetary Resources)和深空工業公司(Deep Space Industries)，認為未來最重要的不是貴金屬，而是水。除了為口渴的太空人提供水分，水還可以很容易地轉化為火箭燃料(氧氣和氫氣)，只需通過電流。通過從冰巖中開採水，這些公司計劃為登月、火星或更深入太空的任務建立燃料站。

當然，找回材料說起來容易做起來難。到目前為止，從一顆小行星上只帶回了大約一毫克的物質——這是2010年日本「隼鳥（Hayabusa）」號宇宙飛船收集到的幾粒塵埃。

2016，NASA發射了歐西裡斯雷克斯飛船，對小行星Bennu進行了為期7年的任務。如果一切按計劃進行，它將帶回大約150克的材料。

但NASA的更大計劃——捕獲一顆50米長的小行星並將其送迴繞月軌道——被川普政府擱置了。加州理工學院的物理學家估計，這樣的「小行星返回」任務將耗資36億美元。這是一筆不小的資金，但與在地球上開礦的啟動成本相比，還是不算太遠，尤其是考慮到一塊精心挑選的巖石可能蘊藏著價值數百億美元的資源。最大的問題可能是經濟的供求規律;成千上萬噸的黃金或鉑金重返市場，可能會導致市場崩盤，因為曾經的貴金屬會變得像晶片一樣便宜。

與世隔絕的棲息地建設

我們能把巨大的3D印表機送到月球或火星上去製造嗎?

第一個3D列印的房子已經在地球上建造。最簡單地說，這些巨大的印表機看起來就像水泥攪拌機，有一個機械手臂，操縱噴嘴將建築材料一層層擠壓出來。一些研究人員已經在研究如何用火星或月球上的灰塵來替代水泥中通常使用的沙子。2014年，義大利研究人員表示，他們可以用類似月球風化層(覆蓋固體巖石的物質層)的材料建造大型建築。

與此同時，NASA正在資助一項自主機器人競賽，這些機器人可以收集、改進和3D列印其他世界的棲息地。最後一輪比賽將於2019年4月舉行，雙方將爭奪280萬美元的獎金。即使是在預製結構上覆蓋一層緻密的風化層，也能幫助未來的殖民者免受輻射、小型流星襲擊或沙塵暴的傷害。歐洲航天局設想發射一個月球車在月球表面滾動，收集表層風化層並將其與粘合劑混合。之後，漫遊者會把材料包裝在一個充氣的棲息地上，有點像你把人埋在沙灘上的沙子裡，在有人到達之前加固結構。正如航天業的人所說，野營和定居的區別在於你所帶的工具。

FY：圓賚

作者： sciabc - John Staughton-CATHAL O'CONNELL

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