熱點評！在火星上進(jìn)行3D打印？研究者開發(fā)火星表巖屑模擬物金屬復(fù)合材料

【資料圖】

在未來的火星探索過程中，不起眼的火星塵埃或許蘊(yùn)含著巨大的潛力。利用3D打印技術(shù)，研究人員將少量模擬的火星巖石與鈦合金混合，制成一種更強(qiáng)韌、更高性能的材料。有朝一日，我們或許可以利用這種材料在火星上制造工具或火箭部件。

在制造新材料的過程中，美國華盛頓州立大學(xué)的研究人員加入了5%到100%的火星表巖屑模擬物，這是一種黑色粉狀物質(zhì)，模擬了這顆紅色星球表面的無機(jī)巖石物質(zhì)。一般意義上，火星土壤是指在火星表面發(fā)現(xiàn)的細(xì)粒表巖屑，其特性可能與地球土壤有明顯差異。到目前為止，人類還沒有獲得任何采集的火星土壤樣本，這將是未來火星采樣返回任務(wù)的目標(biāo)。根據(jù)火星漫游車和軌道勘測器遠(yuǎn)程研究的結(jié)果，科學(xué)家們在地球上制造出了模擬火星表巖屑化學(xué)和機(jī)械特性的材料，用于研究、試驗并測試與火星土壤有關(guān)的活動，如運(yùn)輸設(shè)備、先進(jìn)生命保障系統(tǒng)和現(xiàn)場資源利用過程中的防塵措施。

在新研究中，含有5%火星表巖屑模擬物的材料很堅固，而模擬物含量達(dá)到100%的材料則相當(dāng)脆弱，很容易破裂。即便如此，該研究的通訊作者阿米特·班德亞帕德耶（Amit Bandyopadhyay）仍表示，高火星表巖屑模擬物含量的材料也可以用于制造涂層，用于保護(hù)設(shè)備免受生銹或輻射損傷。這項研究的結(jié)果發(fā)表在近期的《國際應(yīng)用陶瓷技術(shù)雜志》（International Journal of Applied Ceramic Technology）上。

班德亞帕德耶教授來自華盛頓州立大學(xué)的機(jī)械與材料工程學(xué)院，他說：“在太空中，如果我們想實現(xiàn)載人任務(wù)，就必須使用3D打印技術(shù)，因為我們無法從地球上攜帶所有東西。一旦有什么東西遺漏了，我們就沒辦法回來拿了。”

將各種原材料送入太空將會極其昂貴。例如，研究作者指出，美國國家航空航天局（NASA）的航天飛機(jī)將1千克有效載荷送入地球軌道的成本約為5.4萬美元。任何能在太空，或者其他行星上制造的東西都有助于減輕載荷，節(jié)省成本。此外，如果出現(xiàn)任何設(shè)備損壞的情況，宇航員們還需要在現(xiàn)場進(jìn)行修復(fù)。

2011年，班德亞帕德耶第一次證明了就地取材，并使用3D打印技術(shù)制造設(shè)備零部件的可行性。當(dāng)時，他的團(tuán)隊使用3D打印技術(shù)，以月球表巖屑模擬物為原材料，為美國國家航空航天局制造零件。從那時起，多個航天機(jī)構(gòu)開始接受這項技術(shù)，國際空間站也擁有了自己的3D打印機(jī)，可以在現(xiàn)場制造所需的材料并用于實驗。

在這項新研究中，班德亞帕德耶等人使用粉末型3D打印機(jī)將碾碎的火星表巖屑模擬物與鈦合金混合。鈦合金具有較高的強(qiáng)度和耐熱性能，經(jīng)常用于太空探索。在研究過程中，一個高能激光器將混合材料加熱到超過2000攝氏度，然后，融化的火星表巖屑模擬物陶瓷和金屬材料混合物流到一個移動平臺上，進(jìn)而塑造出不同的尺寸和形狀。在材料冷卻后，研究人員對其強(qiáng)度和耐久性進(jìn)行了測試。

完全由火星表巖屑模擬物制成的陶瓷材料在冷卻過程中會開裂，但正如班德亞帕德耶所指出的，這種材料仍然可以作為很好的輻射屏蔽涂層，因為裂紋在這種情況下并不重要。如果混合物中只含有少量火星表巖屑模擬物，比如含量為5%，則最終獲得的陶瓷材料不僅不會破裂或起泡，還會表現(xiàn)出比單獨使用鈦合金更好的性能。這意味著，這種材料可以用來制造更輕的零部件，同時能夠承受更重的負(fù)荷。

班德亞帕德耶表示，這項新研究提供了一種性能更好，同時強(qiáng)度和硬度都更高的材料，在某些應(yīng)用中可以表現(xiàn)得更好。

當(dāng)然，這項研究也僅僅是一個開始，未來研究人員可能會采用不同的金屬或3D打印技術(shù)，制造出更好的復(fù)合材料。“這項研究證明了這是可能的，也許我們應(yīng)該朝這個方向思考，”班德亞帕德耶說，“因為這并不僅限于制造出脆弱的塑料部件，而是制造堅固的金屬陶瓷復(fù)合材料，可以用于任何類型的結(jié)構(gòu)部件。”