格拉斯哥大學詹姆斯·瓦特工程學院的研究人員開發(fā)了一種專為低重力環(huán)境設計的新型3D打印系統(tǒng)。

該項目由吉勒斯·貝萊博士領導，他已為這項新技術申請了專利，該技術解決了太空增材制造的固有挑戰(zhàn)。該項目得到了格拉斯哥知識交流基金、EPSRC 影響力加速賬戶以及科林·麥金尼斯教授的 RAEng 新興技術主席和 RAEng 概念驗證獎的支持。

目前正在努力爭取額外資金，計劃進行首次太空技術演示。與英國航天局的合作也專注于減少太空碎片，確保未來的進步不會加劇軌道污染。

貝萊博士說：“目前，進入地球軌道的一切都是在地表建造并通過火箭送入太空的。它們的質量和體積受到嚴格限制，在發(fā)射過程中，如果機械約束被突破，可能會在飛行中解體，從而摧毀昂貴的貨物。”

“如果我們能夠在太空中放置制造設備，按需建造結構，我們將擺脫這些有效載荷限制。反過來，這可能會為創(chuàng)建更具雄心壯志、資源消耗更少的項目鋪平道路，這些系統(tǒng)實際上將針對其任務進行優(yōu)化，而不是針對火箭發(fā)射的約束?！?/p>

微重力試驗用于實際太空制造

這項技術的近期演示是在歐洲航天局（ESA）的拋物線飛行活動中進行的，通常被稱為“嘔吐彗星”。這些飛行通過急劇的上升和下降模擬失重狀態(tài)，提供短暫的微重力間隔。

在超過 90 次這樣的時刻中，研究人員評估了該系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用顆粒狀原料，而不是傳統(tǒng)的絲材。這種為太空環(huán)境設計的材料能夠可靠地流向打印機的噴嘴，在一致性和速度方面均優(yōu)于傳統(tǒng)方法。

貝萊博士解釋了這一發(fā)展的意義，指出其在太空太陽能反射器、高性能通信天線以及能夠生產更有效藥物的制藥研究站中的潛在應用。研究團隊還探索了將電子元件整合到打印過程中的可能性，為直接在軌道上制造的功能部件和可回收系統(tǒng)打開了大門。

在 Novespace 運營的飛行中進行的測試證實了原型機在微重力中的功能。在每次 22 秒的失重間隔中，研究人員密切監(jiān)測了動態(tài)和功耗，得出了令人鼓舞的結果。

針對地球 3D 打印系統(tǒng)的局限性，貝萊博士強調，絲材打印機通常會在太空中因堵塞和在微重力真空環(huán)境中斷裂而失敗。

“通過這項研究，我們現在擁有了能夠更接近實現這一目標的技術，這將在未來幾年為整個世界帶來積極影響，”研究負責人補充道。

貝萊博士解釋說，正在科林·麥金尼斯教授的 SOLSPACE 項目中開發(fā)的 3D 打印太空反射器，有可能全天 24 小時收集太陽能。這種不間斷的能量收集可以作為低碳發(fā)電的穩(wěn)定來源，顯著助力實現凈零排放的努力。

同樣，基于太空的制藥生產可能會帶來藥物效果的突破。值得注意的是，這項研究還表明，在微重力中制造的胰島素可能比地球上生產的胰島素有效九倍，可能會改變糖尿病治療的方式。

太空作為下一個制造中心

新興研究表明，微重力可以為制造關鍵部件和系統(tǒng)開辟新的前沿。

去年，AddUp 與空中客車國防與航天公司合作，在歐洲航天局的“Metal3D”項目下開發(fā)了一種金屬 3D 打印機。該 3D 打印機于 2024 年 1 月 30 日由美國宇航局的 NG-20 任務發(fā)射到國際空間站（ISS），并在哥倫布模塊中進行了微重力測試。這種為太空環(huán)境設計的打印機采用基于線材的 3D 打印技術，能夠應對微重力和超過 1200°C 的極端溫度。

在太空中打印的四個金屬樣品被送回地球，與地球制造的部件進行比較，以了解微重力對材料質量的影響?？罩锌蛙嚬菊J為這項技術適合未來的月球和火星任務，它在減少對地球供應鏈的依賴和實現可持續(xù)探索方面發(fā)揮了作用。

值得注意的是，在 2016 年，美國宇航局承包商 Techshot 與 nScrypt 和 Bioficial Organs 合作，在零重力公司的飛機上測試了一種零重力下的 3D 生物打印機。該團隊成功使用人類干細胞和為微重力設計的精細生物墨水打印了心臟和血管結構，避免了地球上所需的支撐材料。

測試表明，微重力可以提高生物打印的精度，其打印層比人類頭發(fā)還薄。這項實驗的見解為計劃中的更適合國際空間站的更緊湊打印機奠定了基礎，在那里可以使用低粘度生物墨水來制造更復雜的組織。