研究人员3D打印碳纳米管电极为太空任务提供动力

时间：2021-03-30 08:30 来源：中国3D打印网作者：中国3D打印网阅读：次

中国3D打印网3月30日讯，由加利福尼亚大学圣克鲁斯分校和Merced nAno材料能源与传感中心（MACES）的研究人员领导的一项新研究开发了3D打印的多孔碳气凝胶，用于超低温超级电容器的电极，这可以为未来在地球和太空中执行任务提供动力。该研究由美国国家航空航天局（NASA）资助，旨在减少从极地到月球和火星的极端寒冷环境中未来任务中使用的车辆和设备的供热需求。
“低温储能设备可能对NASA的任务和其他应用很有用。”加州大学圣克鲁斯分校的化学与生物化学教授Yat Li说， “集成到能量存储设备中以实现低温操作的加热组件增加了重量，并且需要恒定的电力，因此我们想看看是否可以通过电极的结构工程来提高低温设备的性能。”

国际空间站

国际空间站。图片来自NASA。
3D打印的多孔气凝胶
          研究人员使用直接墨水书写技术，以纤维素纳米晶体为基础的墨水对多孔碳气凝胶进行3D打印，然后再冻干气凝胶并进一步处理其表面。这使材料在晶格状结构中具有多个级别的孔，范围从小至500微米到纳米。气凝胶的多孔网络提高了离子通过电极扩散的速度，从而提供更高的能量存储能力。气凝胶的表面积约为1750 m2 / g，当施加5 mV / s的电压时，由这种材料制成的电极的电容值为148.6 F / g。根据研究人员的说法，这比其他低温超级电容器要高得多。
        在研究过程中，包含3D打印电极的设备能够在低至70摄氏度的温度下促进离子扩散和电荷转移。这很重要，因为大多数商用锂离子电池和超级电容器的最低工作温度在-20到-40摄氏度之间。通过将3D打印和化学方法相结合来制造其多孔电极，研究人员能够为超级电容器在低温下保持快速充电能力的挑战提供潜在的解决方案。
        该团队将继续与NASA合作，进一步开发超级电容器的低温性能，该性能有可能用于为NASA的Perseverance流动站等应用供电，该设备需要加热器以防止其电池系统在温度平均在3℃左右的火星上冻结。 -62摄氏度。

NASA的恒久漫游车配备了带有3D打印外壳的PIXL X射线设备（如图）。图片来自NASA。
使用3D打印克服挑战性环境
NASA先前已转向增材制造，以帮助解决太空旅行所面临的环境挑战，包括极端温度和充满挑战的地形，并优化其乘员和自主太空应用中的某些组件。去年8月，美国国家航空航天局（NASA）的马歇尔太空飞行中心（MSFC）向KULR Technology Group授予了一项技术协议，该协议可以让未来的太空任务按需和在轨进行3D打印备用电池组。电池后盖的设计将更加安全，并防止危险的热失控传播，在这种情况下，充电或过充电时流过电池或电池的电流会导致电池温度升高，并有可能失控。

美国宇航局还试图开发一种利用太阳的氢产生推力的太阳能火箭，以克服星际太空探索的挑战。约翰·霍普金斯大学应用物理实验室（APL）的研究人员正在与NASA合作，探索如何将金属3D打印用于火箭的隔热罩，该隔热罩在经过太阳的4,500华氏度的温度下需要承受数小时的时间。

在金属和碳纤维3D打印机制造商Markforged的帮助下，美国国家航空航天局的喷气推进实验室还参加了国防高级研究计划局（DARPA）的地下挑战赛，该挑战赛旨在开发能够在行星探测过程中穿越诸如洞穴等地下环境的全自动机器人。

该小组的自主机器人（名为Nebula）每个都有大约15个Markforged 3D打印零件

该小组的自主机器人（名为Nebula）每个都有大约15个Markforged 3D打印零件。图片来自Markforged。

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