3D打印助力太空探索，开创航空航天领域增材制造技术新时代

本篇海外专栏由Sabrina Kerber撰写，笔者是一位来自奥地利的空间建筑师和模拟宇航员。她目前正在瓦尔科技大学（VUT）攻读建筑学硕士课程，主攻专业方向是空间建筑（设计和建造外层空间居住环境的理论和实践）。Sabrina在联合国外层空间事务厅（UNOOSA）、欧洲空间局月球火星小组（EMM）以及国际月球探索工作组（ILWEG）积累了宝贵的空间建筑经验。

2019年，Sabrina在HI-SEAS 星际栖息地参加了著名的的月球居住模拟实验，担任机组工程师。作为Explaneta Space Solutions的创始人和首席执行官，Sabrina一直致力于利用增材制造的优势来探索外太空居住。

2019年12月，我开始在夏威夷进行模拟宇航员飞行任务。

EMMIHS-II飞行任务是欧洲空间局资助的欧洲月球火星计划(EMM)、国际月球探索工作组和国际月球基地联盟(IMA)之间的合作。是在著名的HI-SEAS中进行的。

两周来，我们的国际宇航员团队每天就像在月球上一样，生活、工作和开展研究。

除了与 "地球 "完全隔绝外，还要吃冻干原料制成的食物，同时得穿带有舱外活动生命保障系统的航天服，并得到批准后才能进行舱外活动(EVA)，每周只有8分钟的淋浴时间。

作为一名机组工程师，我负责修复并维护基地内所有技术设备。同时，我也将自己的研究项目带到了基地，其中一个是与MakerBot的合作项目，研究如何利用3D打印来改善月球基地的生活。我决定在模拟太空任务中测试MakerBot METHOD 3D打印机的可靠性，我们六人小组测试了从医疗程序到可居住性和宇航员表现等方面。该模拟是在一个极端封闭的环境中完成的。

利用增材制造设备随时随地生产替换零件、工具

在HI-EAS栖息地的工程舱里，宇航服、生命保障系统和各种技术工具之间，METHOD找到了它在模拟月球上临时的家。

在实际太空任务中，成功的关键取决于迅速解决问题和适应突发情况的能力。即使是一个不起眼的小零件发生故障，也会对飞行任务产生严重影响。

因为能否收到替换零件完全依靠于地球发射的补给任务。对于月球上来说，这个旅程也许需要几天时间。所以，如果有可能在舱内设计并打印替换零件，将会大大改善对补给任务的依赖性。

能够在太空飞行任务中进行3D打印作业，也增加了我们在寻找解决方案的过程中的灵活性。太空或模拟飞行任务的情况和条件总是与预期有一定差异。这可能会对设想的科学实验产生很大的影响，甚至使其无法进行。如果能直接使用3D打印机，就可以让宇航员以相对较少的精力重新设计和制造，以适应其他突发情况。

第二个实验是尝试改善栖息地内部的人为因素。人为因素是指人与系统、设备和设施的相互作用。从生理和心理角度来看，能够在特定环境中安全地执行任务是必不可少的。这在长期飞行任务中尤其具有挑战性，因此任务设计至关重要。

3D打印机可以在多个层面帮助改善人为因素。例如，如果能制造出适应个人居住需求的物品，就可以大大增强可居住性。它可以使宇航员在长期任务期间对其工作空间和寝室进行个性化改造，并对内部设计进行视觉上的改变。对密闭空间的这种改造可以极大地提高宇航员的士气，甚至可以预防心理疲劳引发的宇航员心理健康问题。

通常由于发射到太空的有效载荷限制，宇航员只能携带极少的个人物品。这些物品对于载人航天探索来说是不可缺少的，因为它们极大地促进了宇航员的心理健康，从而提高航天员的工作效率。特别是在远离地球的孤独旅途中，个人物品对于保持宇航员与家的精神联系至关重要。

虽然起初不是为了个人物品，但在模拟环境中，我的团队使用METHOD可以打印他们在实际任务中不可携带的物品。3D打印机的出现让他们从远离家园和亲人的严酷现实情绪中缓解下来。它为栖息地内的休闲活动带来了新的多样性，因为玩具或类似的物品可以被按需制造。

在模拟实验过程中，我们团队的每个人都出于娱乐或装饰目的打印了一些个人物品。在太空建筑设计中，在室内创造一种居家般和舒适感是一个重要的目标，它影响着宇航员的心理健康和凝聚力。能够重现圣诞节或其他等地球传统节日，这有助于与家人保持联系并缓解思乡病和孤独感。此外，这些物品也是宇航员们之间增进感情的重要部分。这种从科学工作和日常工作中抽身出来的时间，对于长期执行任务的宇航员来说是一种非常需要的缓和。

在太空进行3D打印的挑战

HI-SEAS栖息地位于海拔2500米的地方。在这样的高海拔地区进行打印，需要对打印机的设置稍作更改，以确保打印出来的物体和在标准环境下一样好。当我较初用PLA打印时，打印的物品会出现变形。然后我意识到问题出在海拔高度，调整了参数设置后，打印质量和打印机的可靠性都有了显著提高。

事实证明，增材制造技术是太空任务的重要补充。它不仅在太空栖息地的设计中发挥了重要作用，而且3D打印的优势已经在国际空间站上成功得到测试和验证。

例如，现场制造部分内部零件的能力将极大地降低有效载荷，从而减少太空飞行任务的成本和环境影响。在未来的畅想中，在太空中进行增材制造有可能成为居住环境设计的一部分。

从工程设计到个人目标，使用3D打印机都可能为太空作业带来更大的灵活性和多样性。

来源：tct亚洲展

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