展望未來，我們將如何「太空製造」

2023-04-02 01:12:02 3

如今，將重型機械送入太空仍然是一件麻煩而昂貴的事情。然而，很快，這將不再是一個問題。

小行星採礦前哨的意境

，作為《星際迷航》中的一員，最大的優勢是擁有一臺「複印機」，可以根據需要生成任何需要的項目。在當今的現實世界中，從工具到太空任務所需的藥物，一切都只能在發射到軌道之前在地球上生產。這樣做的巨大成本限制了我們對太陽系的探索。然而，這一切即將改變。

現在，公司已經將3D印表機送入太空，生產替代工具。在那之後，我們可能會看到太空軌道上的工廠生產產品在地面上銷售，或者自動化機器人建造足球場大小的人造衛星。在那之後，我們有可能利用當地的自然資源在其他星球上建立定居點，或者開採小行星來補充地球日益減少的金屬材料。

接下來，這些技術將引導人類在短時間內進入太空，並在太空中永久定居。

3 3D列印工具

通常，為了應對任何可能發生的事故，每個航天局都會為載人飛行任務配備大量的備件，發射成本約為每公斤14，000美元。在國際空間站上，這些備件的價值估計為14億美元，其中大部分永遠不會被使用。

但是，如果有一種方法可以在需要的時候直接在太空中製造任何東西，或者甚至熔化已經完成任務的部件以便回收它們的材料呢？事實上，這正是我們要去的地方。

2014年，美國「太空製造」公司向國際空間站發送了第一臺3D印表機，以顯示在微重力環境下列印的零件與地面上列印的零件一樣堅固。

自2011年以來，航天製造已經進行了30，000多個小時的3D列印技術測試。照片來源:美國宇航局

兩年後，該公司發送了其下一代印表機，被稱為先進位造設施，並一直為美國宇航局和其他實驗者提供服務。到目前為止，它的重點是塑料，但正在開發的「VULCAN」系統也將能夠印刷金屬。

另一家美國公司，特提斯無限公司，也把它的3D印表機送到了國際空間站。這套被稱為「再製造機」的3D印表機的優點是，它可以將包括大量散發包裝填充物的廢塑料轉換成3D列印材料，從而節省了發送特殊列印線的成本。

插圖:再製造商的技術演示單元圖片來源:全美汽車協會

也許這些回收想法中最極端的想法是回收人類垃圾加拿大卡爾加裡大學的研究人員正在研究細菌的基因，將人類排洩物轉化為一種叫做聚羥基丁酸酯的3D列印材料「天文塑料」

在軌工廠

在太空製造東西時要克服的明顯挑戰是缺乏重力。沒有重力就意味著沒有對流，對流會干擾熱傳遞。然而，對於「太空製造」公司的工程師來說，這是問題的第一點，也可能成為第一個在軌工廠進展的關鍵。

高質量光纖對於洲際通信和高速網際網路至關重要。目前，矽基光纖通常用於網際網路和電信行業。然而，另一種基於氟化物玻璃的光纖稱為ZBLAN(鋯、鋇、鑭、鋁和鈉的英文名稱的縮寫)，可能比這種光纖更有效。

的問題在於，至少在地球上，對流會導致ZBLAN中細小晶粒的形成，使其變得渾濁和低效。

8年，美國光纖製造商Thorlabs試圖在嘔吐彗星上製造ZBLAN材料，嘔吐彗星是一種可以在自由落體中模擬大約一分鐘微重力環境的飛機。他們成功了微重力環境下製得的ZBLAN纖維微晶數量少，透光率高。

圖表:其他條件下微重力環境(左)和普通重力環境(右)下產生的ZBLAN材料的比較照片來源:國家宇宙航空研究開發機構

現在，「太空製造」已經與「太陽」合作研究是否可以在太空製造高質量的光纖。他們的光纖製造機器已被送往國際空間站，並正在進行首次試運行。這臺機器可以用4公斤的原材料纏繞4公裡長的光纖。如果可行，這將是人類第一次在太空生產商業產品。

太空建築

具有諷刺意味的是，在太空中，太空人生活和工作在一個比容器大不了多少的金屬容器中。這是因為國際空間站的每一個模塊和我們放入軌道的其他所有東西都受到用於發射的火箭大小的限制。

然而，如果我們能直接在太空中建造，我們可能會建造太大而無法在地面支撐自身重量的巨型建築:一個更寬敞的空間站，一個足球場大小的望遠鏡，或者一顆收集太陽能的巨型衛星。儘管一些特殊零件，如透鏡和太陽能電池板，仍需要在地面上製造，但將所有零件固定在一起的支撐框架肯定可以在軌道上製造和組裝。

在軌構建器的第一個示例是空間製造檔案這基本上是一個內置3D印表機的自動裝配機。印表機彈出支撐杆和連接器，使支撐杆卡入到位。這就像太空中的樂高目前，Archinaut可以與美國國家航空航天局批准的聚碳酸酯基高強度塑料一起使用，這種塑料足夠堅固，可以在低應力軌道環境下將巨大的太空建築連接在一起。檔案員已經證明了他在真空測試和嘔吐彗星微重力環境中的能力，並將被發射到國際空間站。圖

:檔案結構圖照片來源:mad in space

小行星採礦

最終，甚至建築的原材料都可以來自太空。自從「行星資源」公司於2009年由包括谷歌聯合創始人拉裡·佩奇和維珍執行長理察·布蘭森在內的投資者在美國創立以來，許多專注於地球以外無限財富的公司在世界各地湧現出來。他們的第一步是什麼？開採小行星此外，投資公司高盛(Goldman Sachs)預測，世界上第一個萬億美元將誕生在這個新興行業。外層空間採礦可能成為21世紀的淘金熱。

很明顯，發現一些富含金或鉑的小行星很容易實現。不幸的是，儘管在地球軌道附近有大約18000顆小行星，但其中只有4%可能含有貴金屬。因此，該行業面臨的最大挑戰之一是探礦，這也是包括總部位於英國的小行星礦業公司在內的幾家公司正在建造衛星掃描太空巖石尋找潛在金礦的原因。

其他公司，包括美國的「行星資源」和「深空工業」公司，都認為未來不在貴金屬，而在水。除了可以解渴，水還可以通過電很容易地變成火箭燃料(氫和氧)。通過從冰冷的巖石中提取水，這些公司計劃為登月、火星或更遠的太空任務建造加油站。

當然，說起來容易做起來難。到目前為止，從小行星上只回收了大約1毫克的物質——這是日本隼鳥號飛船在2010年收集的一些灰塵。2016年，美國航天局發射了光譜判讀資源安全風化層識別探測器(OSIRIS-REx)，對小行星貝努鳥進行了為期七年的飛行任務如果一切按計劃進行，它將帶回大約150克的物質。圖表

:奧西裡斯-雷克斯的樣本返回艙和小行星貝努來源:美國宇航局

，然而，一個更大的美國宇航局計劃捕獲並帶回一個50米大小的小行星繞月球運行已被川普政府擱置。加州理工學院的物理學家估計，這種「帶回小行星」的任務將花費大約36億美元。這的確是一筆巨大的支出，但與地球上的採礦成本相比，還是相差不大，特別是考慮到一個精心挑選的巖石可能含有價值數百億美元的資源。最大的問題可能是供求之間的經濟規律。帶回數千噸黃金或鉑將導致市場崩潰，使曾經的貴金屬變得像炸薯條一樣便宜。

建造外星人定居點

我們能把巨型3D印表機送到月球或火星上去建造嗎？

第一批3D印刷廠已在地面建成簡而言之，這些大型3D印表機看起來像是帶有機械臂的水泥攪拌機，機械臂操縱噴嘴將建築材料分層噴射出來。一些研究人員一直在研究用火星或月球上的灰塵代替水泥中常用的沙子的方法。2014年，義大利研究人員向人們展示，他們可以用類似於月球土壤的材料(覆蓋月球巖石的一層材料)建造大型建築