在火星上進行3D打印?研究者開發火星表岩屑模擬物金屬復合材料

2022年09月08日07:31

  在未來的火星探索過程中,不起眼的火星塵埃或許蘊含著巨大的潛力。利用3D打印技術,研究人員將少量模擬的火星岩石與鈦合金混合,製成一種更強韌、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製造工具或火箭部件。

  在製造新材料的過程中,美國華盛頓州立大學的研究人員加入了5%到100%的火星表岩屑模擬物,這是一種黑色粉狀物質,模擬了這顆紅色星球表面的無機岩石物質。一般意義上,火星土壤是指在火星表面發現的細粒表岩屑,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採集的火星土壤樣本,這將是未來火星采樣返回任務的目標。根據火星漫遊車和軌道勘測器遠程研究的結果,科學家們在地球上製造出了模擬火星表岩屑化學和機械特性的材料,用於研究、試驗並測試與火星土壤有關的活動,如運輸設備、先進生命保障系統和現場資源利用過程中的防塵措施。

  在新研究中,含有5%火星表岩屑模擬物的材料很堅固,而模擬物含量達到100%的材料則相當脆弱,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,高火星表岩屑模擬物含量的材料也可以用於製造塗層,用於保護設備免受生鏽或輻射損傷。這項研究的結果發表在近期的《國際應用陶瓷技術雜誌》(International Journal of Applied Ceramic Technology)上。

  班德亞帕德耶教授來自華盛頓州立大學的機械與材料工程學院,他說:“在太空中,如果我們想實現載人任務,就必須使用3D打印技術,因為我們無法從地球上攜帶所有東西。一旦有什麼東西遺漏了,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,或者其他行星上製造的東西都有助於減輕載荷,節省成本。此外,如果出現任何設備損壞的情況,宇航員們還需要在現場進行修復。

  2011年,班德亞帕德耶第一次證明了就地取材,並使用3D打印技術製造設備零部件的可行性。當時,他的團隊使用3D打印技術,以月球表岩屑模擬物為原材料,為美國國家航空航天局製造零件。從那時起,多個航天機構開始接受這項技術,國際空間站也擁有了自己的3D打印機,可以在現場製造所需的材料並用於實驗。

  在這項新研究中,班德亞帕德耶等人使用粉末型3D打印機將碾碎的火星表岩屑模擬物與鈦合金混合。鈦合金具有較高的強度和耐熱性能,經常用於太空探索。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,然後,融化的火星表岩屑模擬物陶瓷和金屬材料混合物流到一個移動平台上,進而塑造出不同的尺寸和形狀。在材料冷卻後,研究人員對其強度和耐久性進行了測試。

  完全由火星表岩屑模擬物製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塗層,因為裂紋在這種情況下並不重要。如果混合物中只含有少量火星表岩屑模擬物,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,這種材料可以用來製造更輕的零部件,同時能夠承受更重的負荷。

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

  當然,這項研究也僅僅是一個開始,未來研究人員可能會採用不同的金屬或3D打印技術,製造出更好的復合材料。“這項研究證明了這是可能的,也許我們應該朝這個方向思考,”班德亞帕德耶說,“因為這並不僅限於製造出脆弱的塑料部件,而是製造堅固的金屬陶瓷復合材料,可以用於任何類型的結構部件。”

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