如果人类最终在火星上建立长期存在，他们几乎会立即面临一个重大的制造挑战。工具会损坏，零件会磨损，设备需要维修。但与地球不同的是，那里没有现成的供应链，没有隔夜送达的替换零件，也没有储备充足的备件仓库。这正是研究人员持续探索增材制造（3D打印）如何支持未来太空任务的原因之一。现在，阿肯色大学的一项新研究探讨了这个难题中一个小但重要的部分：金属3D打印能否在类似火星的大气环境中工作？
这项研究由赞恩·梅布鲁尔（Zane Mebruer）领导，他当时是该大学的机械工程本科生，在助理教授寿万（Wan Shou）的指导下完成了这项工作。研究成果以题为《探索火星大气环境下的金属增材制造》的论文发表在《制造与材料加工杂志》上。
梅布鲁尔的研究指出，挑战之一在于大多数金属增材制造系统在生产过程中依赖氩气。这种气体在零件逐层构建时保护熔融金属不被氧化。如果没有这种保护，零件内部会形成缺陷，从而削弱最终产品的强度。但问题是，定居火星的人无法获得大量氩气，从地球运输成本高昂，而且在火星上生产氩气也需要额外的设备和资源。
人工环境下光固化生物打印（PBF-LB）实验装置概览。图片由阿肯色大学提供
火星大气中二氧化碳含量超过95%。研究人员希望，与其从地球运送大量特种气体，不如测试能否直接在二氧化碳环境中进行金属打印。如果可行，未来的定居者或许就能利用火星上已有的资源。
为此，研究团队使用了阿肯色大学开发的定制激光粉末床熔融（PBF-LB）系统，打印了简单的316L不锈钢测试样品。该系统配备了一台500瓦的IPG光纤激光器和一个可填充不同气体的密封腔室，使研究人员能够对比在氩气、二氧化碳和普通空气条件下的打印效果。随后对样品进行了表面质量、氧化情况和结构凝聚力的检测。
氩气仍然带来了最强的整体性能，这并不令人意外。但引起研究人员注意的是，二氧化碳环境下的表现远好于普通空气。虽然打印出的零件不如使用氩气时性能优越，但其表现足以激励进一步的研究。
“这是一个概念验证，”寿万说。他帮助梅布鲁尔构思了这项工作，并在其实验室中监督了研究。
激光功率对所制备二维样品的影响。图片由阿肯色大学提供
这项研究仍处于非常早期的阶段。团队打印的并不是成品工具或功能性零件，而是简单的不锈钢测试样品，包括单独的激光熔化线条和小型平面结构，用于观察材料在类似火星的二氧化碳大气中的表现。毕竟，在前往火星之前，还有相当长的待解决问题清单，因为火星是一个极难进行任何制造的地方。除了大气本身，未来的系统还必须在低重力环境下运行，并应对沙尘、辐射以及太阳系中最极端的温度变化。即便如此，这项研究指向了航天机构多年来一直在思考的问题：当地球远在数百万英里之外时，你如何制造所需的东西？
随着各国政府和私营企业推动超越地球轨道的更长任务，这个问题变得越来越重要。例如，NASA的阿尔忒弥斯计划希望让宇航员重返月球，并在未来任务前往火星之前建立更可持续的存在。该计划的关键部分之一是NASA所谓的“原位资源利用”（ISRU），即尽可能利用当地资源，而不是从地球运送一切。这一理念适用于燃料生产、栖息地建设、生命支持系统和制造。毕竟，人类离地球越远，本地生产就越重要。
前往火星的任务将与地球轨道任务截然不同。宇航员可能离家数年，当某件东西损坏时，没有简单的方法运送替换零件。这就是研究人员关注3D打印的原因。与其打包每一个可能需要的备件，未来的宇航员或许可以携带原材料，按需制造一些工具和组件。事实上，过去几年中，研究人员已经探索了几个与火星相关的3D打印概念。
华盛顿州立大学的科学家此前曾证明，模拟火星风化层可以与钛合金混合，制造出坚固的打印材料，未来可能用于工具、结构部件或防护涂层。这项研究的有趣之处在于，研究人员关注的不是能在火星上打印什么，而是能在火星的大气中打印什么。这可能至关重要，因为如果未来的任务能够使用火星上已有的气体而不是氩气，那么火星上的制造将会容易得多。这个想法甚至可能在地球上也有应用。研究人员指出，二氧化碳通常比氩气更容易获得且成本更低。虽然还需要更多的测试，但研究结果表明，在某些情况下，二氧化碳或许可以作为替代品。
当然，短期内没有人会在火星上设置金属3D打印机。事实上，航天机构仍在努力实现人类在月球上的存在。NASA官方仍然谈论在2030年代将人类送上火星，但这听起来更像是一个长期目标。分析人士认为，21世纪40年代初可能是载人火星任务更现实的时间窗口。但如果人类有朝一日真的到达火星，他们需要有能力在那里制造和修理物品。
来源：中国3D打印网
0 留言