人類將在國際空間站3D打印金屬零件，失重狀態(tài)會有什么不一樣？
近幾十年來，在創(chuàng)新技術(shù)的推動下，人類的太空探索已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步。增材制造技術(shù)的應(yīng)用就是一個典型的例子，它為太空研究的進(jìn)步做出了顯著貢獻(xiàn)，本文介紹了幾個近期的太空3D打印研究案例。
1.在太空3D打印金屬零件
2024年1月20日，南極熊獲悉，本月底的天鵝座貨運(yùn)飛船任務(wù)將在國際空間站(ISS)開展一項 3D 打印實驗，這是一項對太空中3D打印能力驗證的重要研究，來自歐洲航天局 (ESA) 。
美國宇航局（NASA）準(zhǔn)備將諾斯羅普·格魯曼公司的天鵝座推進(jìn)太空，將使用獵鷹 9 號飛船為這一旅程提供了便利，獵鷹 9 號是埃隆·馬斯克 (Elon Musk) 公司SpaceX 的火箭。
此項任務(wù)的目標(biāo)是研究太空中的 3D 打印，并以國際空間站 (ISS) 作為開發(fā)平臺。這一舉措的靈感來自于歐洲航天局最近的研究，他們在微重力條件下測試金屬增材制造。歐洲航天局的 Rob Postema 評論道：“這項研究讓我們初步了解了3D打印機(jī)在太空中的表現(xiàn)。”
△微重力下的金屬 3D 打印零件
人類在太空執(zhí)行長期任務(wù)期間遇到的主要挑戰(zhàn)之一是補(bǔ)給工作的復(fù)雜性和成本高昂。這些任務(wù)不僅需要食物等物資，還需要必要的零件和機(jī)械。如果歐空局成功通過天鵝座的機(jī)載3D打印機(jī)在國際空間站上 3D 打印小型金屬零件，那么當(dāng)前的零件補(bǔ)給問題可能會得到解決。
此外，國際空間站上即便具備3D打印能力，但零件的質(zhì)量是否能與地球上生產(chǎn)的零件相匹配仍存在不確定性。研究中心還將測試打印部件的質(zhì)量、耐用性和特性。這項研究成果還可以為打印船員未來可能需要的設(shè)備維護(hù)、備件或工具所需的零件開辟途徑。
△外太空中的天鵝座貨船
天鵝座貨運(yùn)飛船上的這些測試將揭示在太空微重力環(huán)境中3D打印金屬零件的可行性。
2.在太空3D打印電路
美國國家航空航天局（NASA）和學(xué)術(shù)界的工程師合作，在太空邊緣（也稱為卡曼線）附近測試了混合3D打印電子電路。這項太空測試是在亞軌道技術(shù)實驗運(yùn)載火箭-9（SubTEC-9）探空火箭任務(wù)中進(jìn)行的，這枚火箭于2023年4月25日從美國NASA的沃勒普斯飛行基地（Wallops Flight Facility）發(fā)射升空，飛行高度約為174公里（108英里），僅持續(xù)了幾分鐘，火箭便通過降落傘降落到地面。
△這次短暫的飛行攜帶了14項新技術(shù)開發(fā)實驗，包括3D打印電路、更快的遙測鏈路和新型星體跟蹤器
測試包括濕度和電子傳感器，這些傳感器與有效載荷門一起被打印在兩個附加面板上，在短暫的飛行過程中，所有傳感器都向地面?zhèn)鬏敂?shù)據(jù)。這次任務(wù)被認(rèn)為是成功的，有可能幫助科學(xué)家和工程師提高小型航天器的設(shè)計效率。
3D打印的最大的好處是節(jié)省空間，可以在三維表面上打印，元件之間的痕跡大約只有 30 微米（頭發(fā)絲寬度的一半），甚至更小。它還能為天線和射頻應(yīng)用帶來其他好處。
濕度感應(yīng)打印油墨是在美國宇航局馬歇爾太空飛行中心生產(chǎn)的，而電路則是在馬里蘭大學(xué)物理科學(xué)實驗室（LPS）制作的。
打印電路為設(shè)計更小的航天器提供了一個新的框架，既可用于近地任務(wù)，也可用于深空任務(wù)。
混合技術(shù)允許在傳統(tǒng)電子模塊通常無法到達(dá)的位置制造電路。在曲面上打印也有助于空間非常有限的小型可部署子載荷。
3.將3D打印心臟送入太空
五家比利時公司和研究中心正在合作，使用3D打印技術(shù)開發(fā)人造心臟和循環(huán)系統(tǒng)，并計劃將其送往太空。該項目由Space Application Services、SCK CEN、QbD Group、BIO INX和Antleron共同開發(fā)，預(yù)計在2025年將人造心臟送往國際空間站（ISS）。
△AstroCardia項目
研究人員表示，由于無法對活體心臟進(jìn)行深入檢查，他們決定通過生物3D打印技術(shù)制造微型化的人體心臟和人工循環(huán)系統(tǒng)，以便更深入地研究心臟的衰老過程。通過將3D打印的心臟送入太空軌道，科學(xué)家們希望能夠更好地研究心臟的衰老過程，因為在太空中，心臟的老化速度比在地球上快20倍。
因此，太空環(huán)境為我們提供了獨特的機(jī)會，可以獲得在地球上無法獲得的研究成果。開發(fā)的平臺將允許研究驅(qū)動心臟衰老的機(jī)制。
△AstroCardia 3D生物打印機(jī)
AstroCardia團(tuán)隊表示，在進(jìn)行微型心臟模型的3D生物打印時，專業(yè)材料至關(guān)重要。這包括具有微米精度的3D生物打印機(jī)、活干細(xì)胞和由比利時初創(chuàng)公司BIO INX提供的"生物墨水"。研究人員聲稱，這種"生物墨水"包括生物材料和干細(xì)胞，可以發(fā)育成人體內(nèi)任何可能的細(xì)胞。然后，這些細(xì)胞會分裂并組織起來，創(chuàng)建一個正在發(fā)育的人類心臟模型，也被稱為"類器官"。人工循環(huán)系統(tǒng)用于為心臟提供刺激、氧氣和營養(yǎng)，直到其成熟并發(fā)揮功能。目前，科學(xué)家們可以進(jìn)行相關(guān)測試，主要測試將于2025年在國際空間站上進(jìn)行。
△心臟芯片是一塊幾平方毫米的芯片，它的表面覆蓋著心肌細(xì)胞
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