当我们离开地球,在外太空生产制造

现如今,将重型机械送上太空仍是一件麻烦而又开销巨大的事。然而,很快,这就将不再是问题。

当我们离开地球,在外太空生产制造

小行星开采前哨的艺术构想图。

作为《星际迷航》(注:Star Trek,一个美国著名科幻影视系列)里的船员,最大的好处就是拥有“复制机”,这种机器可以按照要求生成任何所需的物品。而在今天现实世界中,从工具到药品,太空任务所需的任何物品都只能先在地球上生产然后再发射进入轨道。这样做所需的巨大开销限制了我们对太阳系的探索。不过,这一切即将改变。

现如今,已经有公司将3D打印机送上太空用以生产替换用的工具。在此之后,我们将有可能看到有处在太空轨道上的工厂生产在地面销售的产品,或者自动化机器人建造足球场大小的人造卫星。再之后,我们就有可能在其他星球上利用当地的天然资源建立居住地,或者开采小行星以补充地球日益减少的金属原料。

接下来这些技术将带领人类从短时间进入太空演变为在太空永久定居。

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3D打印工具

通常,为应对任何可以想象到的意外情况,每家航天局都会为载人任务装备巨量的备件——以约每千克14,000美元的发射成本。在国际空间站(ISS)上,这些备件的价值估计有14亿美元,其中大多数永远都不会派上用场。

但是,如果有一种方法让我们可以在需要时直接在太空中制造任何物件,或者甚至把完成使命的零部件熔化以便将其材料回收再利用,那将如何?实际上,这正是我们前进的方向。

2014年,美国公司“太空制造”(Made In Space)向国际空间站发送了第一台3D打印机,用于展示在微重力环境下打印出的零部件与在地面上打印的同样坚固。

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自2011年以来,“太空制造”公司已经进行了超过30,000小时的3D打印技术测试。图片来源:美国国家航空航天局

两年后,这家公司派出了它的下一代打印机,被称为“先进制造设备”(Advanced Manufacturing Facility),并且此后一直在为美国国家航空航天局以及其他实验者提供服务。到目前为止,它仍专注于塑料,但开发中的“伏尔甘”(VULCAN)系统也将能打印金属。

另一家美国公司“系绳无限”(Tethers Unlimited)将它的3D打印机也送到了国际空间站。这套名为 “再造机”(Refabricator)的3D打印机优势在于,它可以将包括大量发射包装填充物在内的废弃塑料,转变为3D打印材料,从而节省发送专用打印线材所需的成本。

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图解:“再造机”(Refabricator)的一个技术演示单元。 图片来源:NASA

在这些回收的思路中,最极端的想法也许就是回收人类排泄物。加拿大卡尔加里大学的研究人员正在研究改造细菌的基因以便将人类排泄物转变为“太空塑料”(astroplastic),一种称为聚羟基丁酸酯的3D打印材料。

在轨工厂

在太空中制造东西时明显需要克服的挑战就是缺少重力。没有重力就意味着没有对流,这会干扰热传递。然而,对于“太空制造”公司的工程师来说,这起初是问题的一点,也可能成为第一个在轨工厂取得进展的关键。

高质量的光纤对于洲际通信和高速互联网来说至关重要。目前,互联网和电信行业通常使用的是基于二氧化硅的光纤。但是,比起这种材质的光纤,另一种基于被称为ZBLAN(锆、钡、镧、铝、钠元素英文名称的缩写)的氟化物玻璃的光纤可能更加高效。

问题在于,至少在地球上,对流会导致ZBLAN中形成细小的微晶,使其混浊且低效。

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1998年,美国的光纤制造商“索雷博”(Thorlabs)尝试了在“呕吐彗星”上制作ZBLAN材料——“呕吐彗星”是一种能以自由落体的方式模拟一分钟左右微重力环境的飞机。它们成功了。在微重力环境下制得的ZBLAN光纤有着低得多的微晶数和更好的透射率。

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图解:其他条件相同的情况下,微重力环境(图左)中和普通重力环境(图右)中生成的ZBLAN材料的对比。 图片来源:NASA

现在,“太空制造”公司已经与“索雷博”公司合作,研究能否在太空中制造出高质量的光纤。它们的光纤制造机已送到国际空间站,正在进行第一次试验运行。这台机器将有可能仅用4千克的原材料绕制出4千米的光纤。如果可行,这将是人类第一次在太空中制造出商业产品。

太空建造

具有讽刺意味的是,在太空一片空旷之中,宇航员却生活和工作在一个不比集装箱大多少的金属罐里。这是因为国际空间站的每一个模块,以及我们送入轨道的其他任何东西,都受到发射用火箭尺寸的限制。

然而,如果我们可以直接在太空里进行建造,我们就有可能建造出大到在地面上无法支撑其自身重量的巨型建筑:更宽敞的空间站、足球场大小的望远镜或者用于收集太阳能的巨型卫星。尽管一些特殊的部件,例如透镜和太阳能电池板,仍然需要在地面上制造,但是把所有部分固定在一起的支撑架一定可以在轨道上制造和组装。

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在轨建造器的第一个例子是“太空制造”公司的Archinaut。这基本上是一台有内置3D打印机的自动装配机。打印机会喷出支杆和连接器,供支杆卡入到位。这就像太空乐高。目前,Archinaut可以与美国国家航空航天局认可的聚碳酸酯基高强度塑料一起使用,这种塑料的强度足以在低应力的轨道环境中把巨型太空建筑固定在一起。Archinaut已经在真空测试和呕吐彗星的微重力环境中证明了自己的能力,并发射到国际空间站。

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图解:Archinaut的结构示意图。 图片来源:madeinspace

小行星采矿

最终,甚至用于建筑的原材料也可以来自太空。从“行星资源”(Planetary Resources)公司——2009年由包括谷歌联合创始人拉里·佩奇和维珍公司首席执行官理查德·布兰森在内的投资者在美国成立——开始,许许多多着眼于地球之外无限财富的公司在全世界如雨后春笋般涌现出来。它们的第一步是什么?开采小行星。再加上投资公司高盛预测全球第一个万亿富翁将在这一新兴行业中诞生,外太空采矿有可能成为21世纪的淘金热。

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显而易见的是要找一些便于实施的,富含金或铂的小行星。不幸的是,尽管地球轨道附近约有18,000个小行星,其中却只有约4%可能含有贵金属。所以,这个行业面临的最大挑战之一是探矿,这也是为什么数个公司,其中包括总部在英国的“小行星矿业公司”(Asteroid Mining Corporation),正在建造卫星扫描太空岩石以寻找潜在的金矿。

其他公司,包括总部在美国的“行星资源”公司和“深空工业”(Deep Space Industries)公司,都认为未来不在于贵金属,而是水。除给宇航员解渴外,水很容易借助通电变成火箭燃料(氢气和氧气)。通过从冰岩中开采水,这些公司计划为前往月球、火星或者更远太空任务建设加油站。

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当然,取回开采出的东西说起来容易做起来难。到目前为止,从小行星上获取并带回的物质只有约1毫克——这是日本隼鸟号飞船在2010年收集到的一些尘埃。2016年,美国国家航空航天局发射了光谱释义资源安全风化层辨认探测器(OSIRIS-REx),执行对小行星贝努(Bennu)的七年任务。如果一切按计划进行,它将带回约150克物质。

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图解:OSIRIS-REx的采样返回舱与小行星贝努的合影。 图片来源:NASA

但是,美国国家航空航天局一项更大的计划——捕获并带回一个50米尺寸的小行星到绕月轨道——被特朗普政府搁置了。加利福尼亚州理工学院的物理学家们估计,这样一个“带回小行星”的任务将花费约36亿美元。这确实是一大笔开支,但与在地球上开矿的成本相比仍然相差不大,特别是当考虑到精心挑选的一块岩石可能包含价值数百亿美元的资源。最大的问题可能是供求间的经济规律,带回数千吨金或铂将导致市场崩溃,让曾经贵重的金属变得像薯条一样便宜。

地外居住地建设

我们能否将巨型3D打印机送到月球或火星上进行建设?

第一批3D打印房屋已经在地面上建造了出来。简单来说,这些大型3D打印机看上去如同带有机械臂的水泥搅拌机,机械臂操纵喷嘴将建筑材料分层喷出。一些研究人员已经在研究方法将水泥中通常使用的沙子换成火星或月球上尘土。2014年,意大利研究人员向人们展示了他们可以使用与月壤(覆盖在月球岩石上的一层物质)相似的材料建造大型结构。

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与此同时,美国国家航空航天局资助一项自动机器人竞赛,要求机器人有能力在其他星球上收集、加工材料并3D打印出人类居住地。

若是为保护未来的殖民者免受辐射、微陨石撞击或尘暴的影响,在预制建筑上覆盖一层压实的表土甚至都能起到作用。欧洲航天局设想派出一辆漫游车到月球表面,铲起月壤,然后将其与粘合剂混合。接着,漫游车会把这些材料填到膨胀好的居住地顶部,有点像你在沙滩上把某人埋在沙子里时所做的一样,从而在有人到达前加固建筑物。

正如太空建筑行业里所说的那样,露营和定居的区别在于你所携带的工具。

参考资料

1.WJ百科全书

2.天文学名词

3. CATHAL O'CONNELL- UniGasis

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