在未來(lái)的火星探索過(guò)程中，不起眼的火星塵?；蛟S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(guò)程中，美國(guó)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(wú)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(lèi)還沒(méi)有獲得任何采集的火星土壤樣本，這將是未來(lái)火星采樣返回任務(wù)的目標(biāo)。根據(jù)火星漫游車(chē)和軌道勘測(cè)器遠(yuǎn)程研究的結(jié)果，科學(xué)家們?cè)诘厍蛏现圃斐隽四M火星表巖屑化學(xué)和機(jī)械特性的材料，用于研究、試驗(yàn)并測(cè)試與火星土壤有關(guān)的活動(dòng)，如運(yùn)輸設(shè)備、先進(jìn)生命保障系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)資源利用過(guò)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(jiān)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(xiàng)研究的結(jié)果發(fā)表在近期的《國(guó)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(lái)自華盛頓州立大學(xué)的機(jī)械與材料工程學(xué)院，他說(shuō)：“在太空中，如果我們想實(shí)現(xiàn)載人任務(wù)，就必須使用 3D 打印技術(shù)，因?yàn)槲覀儫o(wú)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(méi)辦法回來(lái)拿了。”
將各種原材料送入太空將會(huì)極其昂貴。例如，研究作者指出，美國(guó)國(guó)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(wàn)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(chǎng)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(shí)，他的團(tuán)隊(duì)使用 3D 打印技術(shù)，以月球表巖屑模擬物為原材料，為美國(guó)國(guó)家航空航天局制造零件。從那時(shí)起，多個(gè)航天機(jī)構(gòu)開(kāi)始接受這項(xiàng)技術(shù)，國(guó)際空間站也擁有了自己的 3D 打印機(jī)，可以在現(xiàn)場(chǎng)制造所需的材料并用于實(shí)驗(yàn)。
在這項(xiàng)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(guò)程中，一個(gè)高能激光器將混合材料加熱到超過(guò) 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(gè)移動(dòng)平臺(tái)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(duì)其強(qiáng)度和耐久性進(jìn)行了測(cè)試。
完全由火星表巖屑模擬物制成的陶瓷材料在冷卻過(guò)程中會(huì)開(kāi)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?yàn)榱鸭y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(huì)破裂或起泡，還會(huì)表現(xiàn)出比單獨(dú)使用鈦合金更好的性能。這意味著，這種材料可以用來(lái)制造更輕的零部件，同時(shí)能夠承受更重的負(fù)荷。
班德亞帕德耶表示，這項(xiàng)新研究提供了一種性能更好，同時(shí)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(xiàng)研究也僅僅是一個(gè)開(kāi)始，未來(lái)研究人員可能會(huì)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?！斑@項(xiàng)研究證明了這是可能的，也許我們應(yīng)該朝這個(gè)方向思考，”班德亞帕德耶說(shuō)，“因?yàn)檫@并不僅限于制造出脆弱的塑料部件，而是制造堅(jiān)固的金屬陶瓷復(fù)合材料，可以用于任何類(lèi)型的結(jié)構(gòu)部件?！?/p>
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