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3D打印技术，改变太空制造业的同时，也改变着人类的未来

将重型机械吊入太空既麻烦又昂贵 。 但很快 ， 这将不再是个问题 。
卡塔尔·奥康奈尔报道 。
3D打印技术，改变太空制造业的同时，也改变着人类的未来
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（图注：一个艺术家对小行星采矿前哨站的印象 。 ）
用“复制器”按所需创建任何物品 ， 是星际迷航中成员的一大技能优势 。 在当今现实世界中 ， 太空任务所需的一切——从工具到食物和药品——都必须在地球上制造完成后 ， 然后运输到轨道上 。 这些高昂的花费也限制了我们对太阳系的探索 。 然而这一切都将改变 。
一些公司早已在太空中用3D打印技术代替了工具 。 接下来我们能看到绕轨道运行的工厂制造产品在地球上销售 ， 又或是建造足球场大小的卫星自动化机器人 。 之后将有潜在可能在其他星球建立栖息地 ， 使用其他星球上的自然资源 ， 或是利用小行星来补充地球日益减少的金属储备 。
这些科技将使人类从暂时进入太空发展变成永久存在 。
3D打印工具
航天机构通常在载人任务中装载大量的备件 ， 以应对所有可能的突发事件——发射每公斤的成本约14000美元 。 国际空间站（ISS）内 ， 这些备用品的估价为14亿美元 。 大部分备用品永不会用到 。
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（图注：自2011年以来 ， 《太空制造》已经承担了超过3万小时的3D打印技术测试 。 美国国家航空航天局）
但要是有一种方法能在需要的时候 ， 在太空中制造出几乎所有物品 ， 或在一部分物品使用后融化掉再重塑使用会是怎样呢？我们正在向这方面发展 。
在2014年 ， 美国公司太空制造（MadeInSpace）首次将3D打印机送去ISS ， 它被用来证明在微重力下打印出来的零件和在地球上打印出来的一样坚固 。
两年后 ， 此公司开创了二代3D打印技术 ， 被誉为先进的生产设备（AdvancedManufacturingFacility） ， 此后它一直为NASA和其他实验人员提供制造服务 。 迄今为止 ， 该公司专注于塑料但其正在研制的VULCAN系统也将能够打印金属 。
另一些美国公司 ， 系绳无限公司（TethersUnlimited） ， 在11月5日将他们的3D打印机送往ISS 。 Refabricator的特点是能回收利用塑料 ， 包括大量投放包装填料 ， 将其转化为3D打印材料 ， 节省特种打印灯丝的制作成本 。
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也许这方面最极端的想法是回收人类的排泄物 。 加拿大卡尔加里大学(UniversityofCalgary)的研究人员正在设计细菌 ， 将人类排泄物转化为“天体塑料”(astroplastic) ， 一种名为聚羟基丁酸的3D打印材料 。
在轨工厂
显著的挑战是克服填充物在太空中丧失地心引力 。 没有地心引力意味着没有对流 ， 也就扰乱了热传递 。 但是对于太空工程师来说 ， 最初的问题可能是让第一个轨道工厂离开地面的关键因素 。
高质量的光纤对洲际通信和高速互联网至关重要 。 目前互联网和电信行业都是建立在硅基纤维的基础上 ， 但另一种基于氟化玻璃的纤维ZBLAN(来自锆、钡、镧、铝和钠元素)的效率可能要高得多 。 问题是 ， 至少在地球上 ， 对流导致ZBLAN中形成微小的微晶体 ， 使得ZBLAN多云 ， 效率较低 。
1998年美国的光导纤维制造者Thorlabs试图在“呕吐彗星（vomitcomet）”上制造ZBLAN材料 。 “呕吐彗星（vomitcomet）”会在一分钟左右的自由下落过程中模拟微重力的飞机飞行 ， 并且它成功了 。 在微重力条件下制造的ZBLAN纤维有更少的微晶体 ， 而且传输能力更强 。
如今太空制造（MadeInSpace)与Thorlabs合作 ， 看他们是否能制造出在太空中使用的高品质光纤 。 他们的光纤制造者在2017年10月将制造品发射到国际空间站 ， 目前正在进行第一次试验 ， 有可能从4公斤的原材料中提取出4公里长的纤维 。 如果成功了 ， 这将是首次有人在太空中制造出商业产品 。
太空建设
足够讽刺的是 ， 在空无的太空中 ， 宇航员的生活和工作范围都不能超过集装箱 。 这是因为所有ISS中的组件 ， 我们送入轨道的所有事物 ， 都被发射火箭的尺寸所限制 。
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但如果我们能在太空建造 ， 我们就有可能建造出在地球上承受不住自身重量的巨大建筑:更宽敞的空间站 ， 足球场大小的望远镜 ， 能接收巨大太阳能的巨型卫星 。 当然也有专门的部分 ， 例如柔性焦距透镜组和太阳能电池将仍需要在地球上制造 ， 而将一切连接在一起的支架当然可以在轨道上制造和组装 。
轨道建造师的第一个例子是太空制造（MadeInSpace)的Archinaut 。 这是一个内置3D打印机的机器人组装机器 。 他的打印机挤压支柱和连接器 ， 手臂按到需要的位置 。 它像个太空乐高 。 Archinaut可以使用美国宇航局批准的以聚碳酸酯为基础的高强度塑料 ， 这种塑料的强度足以在低应力轨道环境下将巨大的太空结构连接在一起 。 Archinaut已经在“呕吐彗星（vomitcomet）”上的真空测试和微重力测试中证明了自己 ， 并将于2019年发射到国际空间站 。
小行星矿业
最终 ， 甚至建筑的原材料也可能来自太空 。 行星资源公司是由谷歌联合创始人拉里·佩奇和维珍首席执行官理查德·布兰森等投资者于2009年在美国成立的 。 这是他们的第一步吗?开采小行星 。 投资公司高盛(GoldmanSachs)预测 ， 世界上第一个亿万富翁将在这个新兴行业赚大钱 ， 这可能成为21世纪的淘金热 。
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技术
最需要的事情就是找到一些富含黄金或铂等贵金属的小行星 。 不幸的是 ， 虽然有大约18000颗小行星在轨道上接近地球 ， 但其中只有大约4%可能含有贵重金属 。 因此 ， 该行业面临的最大挑战之一是勘探工作 ， 这就是为什么包括英国的小行星采矿公司在内的几家公司正在致力于架设卫星 ， 以便扫描太空岩石 ， 寻找潜在的金矿 。
其他公司 ， 包括总部位于美国的行星资源公司(PlanetaryResources)和深空工业公司(DeepSpaceIndustries) ， 认为未来最重要的不是贵金属 ， 而是水 。 除了为口渴的宇航员提供水分 ， 水还可以很容易地转化为火箭燃料(氧气和氢气) ， 只需通过电流 。 通过从冰岩中开采水 ， 这些公司计划为登月、火星或更深入太空的任务建立燃料站 。
当然 ， 找回材料说起来容易做起来难 。 到目前为止 ， 从一颗小行星上只带回了大约一毫克的物质——这是2010年日本“隼鸟（Hayabusa）”号宇宙飞船收集到的几粒尘埃 。
2016 ， NASA发射了欧西里斯雷克斯飞船 ， 对小行星Bennu进行了为期7年的任务 。 如果一切按计划进行 ， 它将带回大约150克的材料 。
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但NASA的更大计划——捕获一颗50米长的小行星并将其送回绕月轨道——被特朗普政府搁置了 。 加州理工学院的物理学家估计 ， 这样的“小行星返回”任务将耗资36亿美元 。 这是一笔不小的资金 ， 但与在地球上开矿的启动成本相比 ， 还是不算太远 ， 尤其是考虑到一块精心挑选的岩石可能蕴藏着价值数百亿美元的资源 。 最大的问题可能是经济的供求规律;成千上万吨的黄金或铂金重返市场 ， 可能会导致市场崩盘 ， 因为曾经的贵金属会变得像芯片一样便宜 。
与世隔绝的栖息地建设
我们能把巨大的3D打印机送到月球或火星上去制造吗?
第一个3D打印的房子已经在地球上建造 。 最简单地说 ， 这些巨大的打印机看起来就像水泥搅拌机 ， 有一个机械手臂 ， 操纵喷嘴将建筑材料一层层挤压出来 。 一些研究人员已经在研究如何用火星或月球上的灰尘来替代水泥中通常使用的沙子 。 2014年 ， 意大利研究人员表示 ， 他们可以用类似月球风化层(覆盖固体岩石的物质层)的材料建造大型建筑 。
与此同时 ， NASA正在资助一项自主机器人竞赛 ， 这些机器人可以收集、改进和3D打印其他世界的栖息地 。 最后一轮比赛将于2019年4月举行 ， 双方将争夺280万美元的奖金 。 即使是在预制结构上覆盖一层致密的风化层 ， 也能帮助未来的殖民者免受辐射、小型流星袭击或沙尘暴的伤害 。 欧洲航天局设想发射一个月球车在月球表面滚动 ， 收集表层风化层并将其与粘合剂混合 。 之后 ， 漫游者会把材料包装在一个充气的栖息地上 ， 有点像你把人埋在沙滩上的沙子里 ， 在有人到达之前加固结构 。 正如航天业的人所说 ， 野营和定居的区别在于你所带的工具 。
FY：圆赉
作者：sciabc-JohnStaughton-CATHALO'CONNELL
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