佛羅里達(dá)國際大學(xué)：3D打印模擬月壤，測試月球建設(shè)的可行性

自 1972 年以來，美國宇航局渴望使用創(chuàng)新技術(shù)幫助月球'漫步者'能夠更好地探索月球表面多年來，NASA 一直在通過資助提倡以學(xué)生為主導(dǎo)的研究和技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目來促進(jìn)創(chuàng)新。2023年4月，南極熊獲悉，來自佛羅里達(dá)國際大學(xué)一名研究生 Brandon Aguiar 正在研究可能成為星際工程支柱的材料。


△Brandon Alexander Aguiar

在佛羅里達(dá)國際大學(xué)(FIU)，每年都有許多學(xué)生在 NASA 實(shí)習(xí)，宇航員在佛羅里達(dá)群島的一處基地接受訓(xùn)練。早在 2019 年，該機(jī)構(gòu)就向 FIU 的二維光電研究和教育中心(CRE2DO) 撥款 300 萬美元，用于研究創(chuàng)造能夠承受太空極端環(huán)境的材料。后來，F(xiàn)IU又收到了至少800萬美元的贈(zèng)款，以增加 NASA 和國家科學(xué)基金會(huì)(NSF)尖端研究的多樣性和包容性。

在 FIU 的實(shí)驗(yàn)室，研究者們正在對空間彈性基礎(chǔ)設(shè)施材料、通信設(shè)備和小型衛(wèi)星技術(shù)進(jìn)行研究。2023年4月，F(xiàn)IU 透露其一名研究生 Brandon Aguiar 正在研究可能成為星際工程支柱的材料。

作為 FIU 等離子形成實(shí)驗(yàn)室的研究生研究助理，Aguiar 說他花了很多深夜，做了無數(shù)實(shí)驗(yàn)來推進(jìn) 3D 打印技術(shù)，用月球風(fēng)化層創(chuàng)造出耐用的結(jié)構(gòu)，包括復(fù)雜的立方體、實(shí)心矩形、格子結(jié)構(gòu)，以及帶有拱門和月球棲息地比例模型。


△3D 打印的月球風(fēng)化層幾何形狀（a）復(fù)雜的立方體，（b）FIU 標(biāo)志，（c）月球棲息地，（d）實(shí)心矩形。

為了幫助開發(fā)可持續(xù)的月球基礎(chǔ)設(shè)施，Aguiar 和許多其他研究人員一樣認(rèn)為，就地資源利用(ISRU) 是人類未來和太空生存的關(guān)鍵。Aguiar 使用了 NASA 提供的一種名為Greenland Anorthosite的月球風(fēng)化層模擬物，類似于美國太空探索早期從月球上收集的巖石。

●首先，將風(fēng)化層材料與Tethon 3D的光固化熱固性聚合物樹脂混合，形成漿料。
●其次，使用Tethon 3D 的Bison 1000 DLP打印機(jī)進(jìn)行 3D 打�。〝�(shù)字光處理），形成錯(cuò)綜復(fù)雜的幾何形狀。
●最后，將打印件進(jìn)行脫脂。

2022年2月，Aguiar 和其他研究人員在《國際陶瓷》雜志上發(fā)表了他們的工作成果。論文“使用數(shù)字光處理通過增材制造對月球高地風(fēng)化層進(jìn)行原位資源利用”指出，打印并燒結(jié)了幾個(gè)尺寸精度高的樣品，沒有變形跡象。

如今，還沒有對3D打印Greenland Anorthosite月球風(fēng)化層部分進(jìn)行研究。該材料隨溫度變化的可能性較低，也就是說由Greenland風(fēng)化層建造的結(jié)構(gòu)能夠持續(xù)暴露于月球溫度范圍（從最冷到最熱）。目前，Aguiar 將繼續(xù)對此次3D打印的物體進(jìn)行環(huán)境能力測試，包括輻射、小行星和溫度波動(dòng)。

Aguiar 在 FIU 等離子形成實(shí)驗(yàn)室的工程專家指導(dǎo)下工作，并在 FIU 特聘教授 Arvind Agarwal 的指導(dǎo)下，追隨 FIU 博士生 Kazue Orikasa 的腳步，他現(xiàn)在正在研究如何使用塑料材料來保護(hù)太空技術(shù)。Orikasa 最近獲得了NASA 空間技術(shù)研究生研究機(jī)會(huì)(NSTGRO) 獎(jiǎng)學(xué)金，為 Aguiar 的 3D 打印月球風(fēng)化層材料項(xiàng)目奠定了基礎(chǔ)。與 Aguiar 一樣，Kazue 也在 Agarwal 的指導(dǎo)下在 FIU 等離子體成形實(shí)驗(yàn)室工作，現(xiàn)在正與 NASA 的領(lǐng)先工程師和科學(xué)家合作開發(fā)一維和二維材料-聚合物復(fù)合材料，以提高材料的機(jī)械、熱和輻射屏蔽性能。


△Brendan Aguiar 在材料研究協(xié)會(huì) (MRS) 會(huì)議上進(jìn)行展示。

隨著 Artemis 任務(wù)的臨近，美國宇航局重新點(diǎn)燃了人們對月球探索的興趣，并激勵(lì)下一代科學(xué)家進(jìn)行創(chuàng)新！