2025-03-14 15:26 来源：本站编辑
纵观历史，当拓荒者穿越未知的领域，在遥远的土地上定居时，他们只带着必需品：工具、种子和衣服。其他任何东西都必须来自他们的新环境。
所以他们用当地的木材、岩石和草皮建造了避难所；觅食，耕种脚下的土地；然后用他们能找到的任何东西制造工具。这很困难，但最终成功的企鹅获得了生存所需的一切。
当人类离开地球前往月球和火星等目的地时，类似的事情也会发生——尽管宇航员将面临比维京人到达格陵兰岛和纽芬兰时更大的挑战。宇航员不仅物资有限，而且需要在陆地上生活；他们甚至无法呼吸空气。
然而，今天的太空先驱们将带来3D打印机，而不是斧头和犁。作为一名工程师和教授，我正在开发将人类的存在延伸到地球以外的技术，我把我的工作和研究重点放在这些非凡的机器上。
3D打印机将制造出太空拓荒者在恶劣的外星环境中生存所需的工具、结构和栖息地。它们将使人类能够长期驻留在月球和火星上。
在地球上，3D打印可以一层一层地制造成千上万的东西，从替换臀部到锤子再到房屋。这些设备采用原材料，如塑料、混凝土或金属，并将其沉积在计算机编程的路径上，以制造零件。它通常被称为“增材制造”，因为你不断添加材料来制造零件，而不是像传统机械加工那样去除材料。
太空中的3D打印已经在进行中。在国际空间站上，宇航员使用3D打印机制造工具和备件，如棘轮扳手、夹子和支架。根据零件的不同，打印时间从30分钟到几个小时不等。
目前，印刷材料大多是从地球上运来的。但NASA也开始回收其中的一些材料，比如废塑料，用2019年安装的先进3D打印机reabricator制造新零件。
你可能想知道为什么太空探险者不能简单地把他们需要的一切都带上。毕竟，这就是几十年前国际空间站的建造方式——从地球上拖来成吨的预制部件。
但这对于在其他星球上建造栖息地是不切实际的。向太空发射材料非常昂贵。目前，火箭发射到近地轨道的每磅重量都要花费数千美元。为了将材料送到月球，美国宇航局估计初始成本约为每磅50万美元。
尽管如此，在太空中制造东西仍然是一个挑战。在太空的微重力，或者月球或火星的重力降低的情况下，物质的行为与在地球上不同。减少或消除重力，材料冷却和再结晶的方式不同。月球的引力是地球的六分之一；火星，大约五分之二。工程师和科学家们正在努力使3D打印机在这些条件下发挥作用。
在外星世界，3D打印机将使用在这些环境中发现的自然资源，而不是塑料或金属。但找到合适的原材料并不容易。月球和火星上的栖息地必须保护宇航员免受缺乏空气、极端温度、微陨石撞击和辐射的影响。
风化层是覆盖在月球和火星表面的细小的沙粒状尘埃，可能是建造这些住所的主要成分。可以把这两个星球的风化层想象成外星土壤——与地球土壤不同，它含有很少的营养物质，而且据我们所知，没有生物。但它可能是3D打印的好原料。
我的同事们首先研究了常规水泥在太空中的表现，开始研究这种可能性。我现在和他们一起开发将风化层转化为可打印材料的技术，并最终在月球上进行测试。
但获取超凡脱俗的风化层是个问题。在20世纪60年代和70年代的阿波罗任务期间，从月球带回的风化层样本非常珍贵，即使不是不可能，也很难用于研究目的。因此，科学家们正在使用风化层模拟物来测试这些想法。实际的风化层的反应可能与我们的模拟物完全不同。我们只是不知道。
更重要的是，月球上的风化层与火星上的非常不同。火星的风化层含有氧化铁——这就是为什么它的颜色是红色的——但月球的风化层主要是硅酸盐；它更精细，更有棱角。研究人员需要学习如何在3D打印机中使用这两种类型。
美国宇航局的月球到火星行星自主建造技术项目，也被称为MMPACT，正在推进在外星世界上打印这些栖息地所需的技术。
科学家们目前正在探索的方法包括：一种部分由表面冰制成的基于风化层的混凝土；在高温下融化风化层，然后在它还是液体的时候用模具来形成它；还有烧结，这意味着用集中的阳光、激光或微波加热风化层，使颗粒在不需要粘合剂的情况下融合在一起。
沿着这些思路，我和我的同事们开发了一种火星混凝土，我们称之为“火星screte”，我们用这种材料在2017年为美国宇航局3d打印了一个小型测试结构。
然后，在2019年5月，我们使用另一种特殊的混凝土，3d打印了一个三分之一比例的火星栖息地原型，可以支持宇航员长期生存所需的一切，包括生活、睡眠、研究和食物生产模块。
这个原型展示了在这颗红色星球上建造房屋的潜力和挑战。但其中许多技术也将使地球上的人们受益。
就像宇航员可以从自然资源中制造可持续产品一样，房屋建筑商可以从当地找到的粘合剂和骨料中制造混凝土，甚至可以从回收的建筑碎片中制造混凝土。工程师们已经在调整打印火星栖息地的技术，以解决国内的住房短缺问题。事实上，3d打印房屋已经进入市场。
与此同时，在地球之外建立人类存在的行动仍在继续。阿尔忒弥斯三号计划于2027年发射，这将是1972年以来人类首次登月。美国宇航局的火星之旅最早可能在2035年实现。
但无论人们走到哪里，无论他们何时到达那里，我确信3D打印机将成为让人类在外星土地上生活的主要工具之一。
