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火星生物石:一种新的受生物启发的复合材料,用于火星上的3D打印

时间:2020-10-06 09:50 来源:中国3D打印网 作者:中国3D打印网 阅读:
极光尔沃
       中国3D打印网10月6日讯,地外资源利用存在许多挑战。但是,随着人类太空探索计划的临近,迫切需要提出创新的解决方案,以使航天员能够使用关键的补给品和维持生命的要素。根据Artemis计划,NASA的人类月球探索计划可能最早将宇航员送入月球表面,并有望在20世纪末实现可持续的探索。
         但是,在太空中生活和工作数月或数年意味着要使用本地化的材料来生产产品,以避免极高的运输成本-太空企业家埃隆·马斯克(Elon Musk)估计每吨到火星的成本为100,000美元。尽管已经提出了几种使用天然矿物和岩石作为原料进行现场3D打印的方法,但专家指出,目前尚不清楚这些材料中的任何一种可以经济转化为增材制造(AM)的程度。
         现在,新加坡科技设计大学(SUTD)的一组科学家进行的一项新研究建议,使用一种常见的有机生物聚合物,并通过简单的化学作用来生产可以用于3D打印物体的材料,例如工具和掩体,在火星上。结果是一种生物启发的重石块复合材料,称为火星生物石块,可以用最少的能量制成,而无需运输专用设备或专用原料。
 使用3D打印着陆器模块完成的火星栖息地模型,说明在火星上制造栖息地的可能方案
  使用3D打印着陆器模块完成的火星栖息地模型,说明在火星上制造栖息地的可能方案。图片由Javier G. Fernandez /新加坡科技设计大学提供。
        科学家在最近发表在《 PLOS ONE》杂志上的一篇论文中描述了他们的实验。 SUTD的合著者兼创始学术成员哈维尔·费尔南德斯(Javier Fernandez)和他的同事们解释说,他们的简单制造技术基于几丁质,几丁质是地球上最普遍的有机聚合物之一。它是由大多数生物王国中的生物产生和代谢的,并且很可能成为任何人工生态系统的一部分,因为它是生物学形成结构成分的重复解决方案。几丁质存在于真菌的细胞壁中。节肢动物的外骨骼,例如甲壳类和昆虫,以及鱼类和两栖动物的鳞片。
         在这项研究中,研究人员使用了源自虾的壳聚糖,然后将它们溶解在低浓度的乙酸中(这是有氧和厌氧发酵中常见的副产物)。然后,他们将脱乙酰壳多糖与旨在模拟火星土壤特性的矿物混合在一起,制成最终的生物块溶液。为了测试生物石料作为3D打印原料的适用性,他们创建了一个按比例缩放的栖息地模型,该模型的灵感来自AI SpaceFactory的NASA 3D打印栖息地获奖者MARS HAbitat(MARSHA)的设计。使用安装在KUKA KR 60 HA六轴机械臂上的气动柱塞式挤出机,将生物体分三段进行自动挤出。团队花了不到两个小时的时间来打印结构。打印机设置的优点之一是能够调整过程以平衡速度和清晰度,以及使用相同的材料和制造技术将打印的工件缩放到几个数量级的能力。
 增材制造装置具有安装在6轴机械臂上的气动柱塞挤压机

  增材制造装置具有安装在6轴机械臂上的气动柱塞挤压机。图片由Javier G. Fernandez /新加坡科技设计大学提供。

        他们还使用通用的生物板来铸造不同的几何形状,包括后来经过测试的功能扳手,用于修复断裂的管道。通过研究,作者能够证明这种材料能够快速制造出可以在火星环境中支撑人类的物体。描述生物石的初始产品可能是通过手工或铸造制造的可消耗的工具和设备。

       与地球上的可持续发展问题类似,地外环境中的稀缺资源对建立支持人类活动的封闭生态循环构成了极大的挑战。 Fernandez建议,该技术最初是在城市环境中创建循环生态系统而开发的,但由于其效率高,它也是在极其稀缺的无生命星球或卫星环境中在封闭的人工生态系统中生产材料的最合适且可扩展的方法。 通过考察自然界成功适应恶劣环境的策略,他们可以创造出多种多样的火星生物石。

          费尔南德斯说:“与一般的看法相反,受生物启发的制造和可持续材料不是替代合成聚合物的技术,而是一种定义了制造新范式并允许做合成同行无法实现的工作的使能技术。在这里,我们证明了它们不仅对我们在地球上的可持续发展至关重要,而且对于人类下一个最大成就:我们向行星际物种的转化也至关重要。”
干燥后和组装之前进行3D打印
  干燥后和组装之前进行3D打印。图片由Javier G. Fernandez /新加坡科技设计大学提供。
        中国3D打印网点评:研究界目前正在评估使用现有岩石和矿物进行太空制造的机会,而这些太空岩不需要极端或高度的加工。目前考虑用于非地球开发的许多制造方法都是基于丰富的地球范式技术,并且通常以涉及高温高压的过程或具有复杂而专门的生物合成的聚合物为特征。尽管如此,未来前往火星的太空探索任务将需要可持续的外星人定居点,该定居点必须具有资源效率,并具有封闭的生态系统,从而需要处理的能源更少,逐步用于AM。通过这项新的研究,该团队展示了一种创新的方式来制造具有较低制造要求,生态整合和多功能用途的复合材料,该复合材料可能成为未来火星环境的基础。

    中国3D打印网原创文章!

(责任编辑:中国3D打印网)

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