格拉斯哥大學(xué)詹姆斯·瓦特工程學(xué)院的研究人員開(kāi)發(fā)了一種專為低重力環(huán)境設(shè)計(jì)的新型3D打印系統(tǒng)。

該項(xiàng)目由吉勒斯·貝萊博士領(lǐng)導(dǎo)，他已為這項(xiàng)新技術(shù)申請(qǐng)了專利，該技術(shù)解決了太空增材制造的固有挑戰(zhàn)。該項(xiàng)目得到了格拉斯哥知識(shí)交流基金、EPSRC 影響力加速賬戶以及科林·麥金尼斯教授的 RAEng 新興技術(shù)主席和 RAEng 概念驗(yàn)證獎(jiǎng)的支持。

目前正在努力爭(zhēng)取額外資金，計(jì)劃進(jìn)行首次太空技術(shù)演示。與英國(guó)航天局的合作也專注于減少太空碎片，確保未來(lái)的進(jìn)步不會(huì)加劇軌道污染。

貝萊博士說(shuō)：“目前，進(jìn)入地球軌道的一切都是在地表建造并通過(guò)火箭送入太空的。它們的質(zhì)量和體積受到嚴(yán)格限制，在發(fā)射過(guò)程中，如果機(jī)械約束被突破，可能會(huì)在飛行中解體，從而摧毀昂貴的貨物。”

“如果我們能夠在太空中放置制造設(shè)備，按需建造結(jié)構(gòu)，我們將擺脫這些有效載荷限制。反過(guò)來(lái)，這可能會(huì)為創(chuàng)建更具雄心壯志、資源消耗更少的項(xiàng)目鋪平道路，這些系統(tǒng)實(shí)際上將針對(duì)其任務(wù)進(jìn)行優(yōu)化，而不是針對(duì)火箭發(fā)射的約束?！?/p>

微重力試驗(yàn)用于實(shí)際太空制造

這項(xiàng)技術(shù)的近期演示是在歐洲航天局（ESA）的拋物線飛行活動(dòng)中進(jìn)行的，通常被稱為“嘔吐彗星”。這些飛行通過(guò)急劇的上升和下降模擬失重狀態(tài)，提供短暫的微重力間隔。

在超過(guò) 90 次這樣的時(shí)刻中，研究人員評(píng)估了該系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用顆粒狀原料，而不是傳統(tǒng)的絲材。這種為太空環(huán)境設(shè)計(jì)的材料能夠可靠地流向打印機(jī)的噴嘴，在一致性和速度方面均優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

貝萊博士解釋了這一發(fā)展的意義，指出其在太空太陽(yáng)能反射器、高性能通信天線以及能夠生產(chǎn)更有效藥物的制藥研究站中的潛在應(yīng)用。研究團(tuán)隊(duì)還探索了將電子元件整合到打印過(guò)程中的可能性，為直接在軌道上制造的功能部件和可回收系統(tǒng)打開(kāi)了大門(mén)。

在 Novespace 運(yùn)營(yíng)的飛行中進(jìn)行的測(cè)試證實(shí)了原型機(jī)在微重力中的功能。在每次 22 秒的失重間隔中，研究人員密切監(jiān)測(cè)了動(dòng)態(tài)和功耗，得出了令人鼓舞的結(jié)果。

針對(duì)地球 3D 打印系統(tǒng)的局限性，貝萊博士強(qiáng)調(diào)，絲材打印機(jī)通常會(huì)在太空中因堵塞和在微重力真空環(huán)境中斷裂而失敗。

“通過(guò)這項(xiàng)研究，我們現(xiàn)在擁有了能夠更接近實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的技術(shù)，這將在未來(lái)幾年為整個(gè)世界帶來(lái)積極影響，”研究負(fù)責(zé)人補(bǔ)充道。

貝萊博士解釋說(shuō)，正在科林·麥金尼斯教授的 SOLSPACE 項(xiàng)目中開(kāi)發(fā)的 3D 打印太空反射器，有可能全天 24 小時(shí)收集太陽(yáng)能。這種不間斷的能量收集可以作為低碳發(fā)電的穩(wěn)定來(lái)源，顯著助力實(shí)現(xiàn)凈零排放的努力。

同樣，基于太空的制藥生產(chǎn)可能會(huì)帶來(lái)藥物效果的突破。值得注意的是，這項(xiàng)研究還表明，在微重力中制造的胰島素可能比地球上生產(chǎn)的胰島素有效九倍，可能會(huì)改變糖尿病治療的方式。

太空作為下一個(gè)制造中心

新興研究表明，微重力可以為制造關(guān)鍵部件和系統(tǒng)開(kāi)辟新的前沿。

去年，AddUp 與空中客車國(guó)防與航天公司合作，在歐洲航天局的“Metal3D”項(xiàng)目下開(kāi)發(fā)了一種金屬 3D 打印機(jī)。該 3D 打印機(jī)于 2024 年 1 月 30 日由美國(guó)宇航局的 NG-20 任務(wù)發(fā)射到國(guó)際空間站（ISS），并在哥倫布模塊中進(jìn)行了微重力測(cè)試。這種為太空環(huán)境設(shè)計(jì)的打印機(jī)采用基于線材的 3D 打印技術(shù)，能夠應(yīng)對(duì)微重力和超過(guò) 1200°C 的極端溫度。

在太空中打印的四個(gè)金屬樣品被送回地球，與地球制造的部件進(jìn)行比較，以了解微重力對(duì)材料質(zhì)量的影響?？罩锌蛙嚬菊J(rèn)為這項(xiàng)技術(shù)適合未來(lái)的月球和火星任務(wù)，它在減少對(duì)地球供應(yīng)鏈的依賴和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)探索方面發(fā)揮了作用。

值得注意的是，在 2016 年，美國(guó)宇航局承包商 Techshot 與 nScrypt 和 Bioficial Organs 合作，在零重力公司的飛機(jī)上測(cè)試了一種零重力下的 3D 生物打印機(jī)。該團(tuán)隊(duì)成功使用人類干細(xì)胞和為微重力設(shè)計(jì)的精細(xì)生物墨水打印了心臟和血管結(jié)構(gòu)，避免了地球上所需的支撐材料。

測(cè)試表明，微重力可以提高生物打印的精度，其打印層比人類頭發(fā)還薄。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的見(jiàn)解為計(jì)劃中的更適合國(guó)際空間站的更緊湊打印機(jī)奠定了基礎(chǔ)，在那里可以使用低粘度生物墨水來(lái)制造更復(fù)雜的組織。