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人类探月迎新跨越3D打印技术助力月球基地建设

2018-09-15 11:58:08

中国网2月19日讯 据英国《每日邮报》等2月2日报道,随着3D打印技术的一日千里,科学家正在尝试利用它在月球表面“盖房”。总部设在法国首都巴黎的欧洲航天局(ESA)2月1日公布了人类月球基地计划蓝图。通过登月机器人就地取材月球上的原始土壤,并利用先进的3D打印技术将它转变成建筑材料搭建月球基地。据欧洲航天局相关负责人介绍,月球表面的原始土壤有预防伽马射线辐射、保持温度和抵御陨石袭击等多种优点,是建造月球基地非常好的材料。而当前的“3D打印技术”也大大节省了从地球上运输建筑材料的成本。尽管这一工程技术操作可行性还有待双方在未来几个月甚至几年的研究和测试,但取材月球土壤搭建基地的计划将可谓是人类在外太空探索领域的又一新跨越。

航天技术的起步即伴随着首轮“登月热”

远古时代,在文明的曙光降临之前,夜空中的一轮明月总能给恐惧黑暗的人类带来光芒。在所有的古代文明中,可望而不可及的月亮几乎无一例外地被奉为“神灵”,然而人类探知的脚步没未止步于神灵的“禁区”之外。1690年,伽利略利用自制的折射式望远镜观察月球,首次揭开了月球的真面目由山峰和平原构成的荒漠。18世纪蒸汽机带动的工业文明给了人们飘洋过海、上天入地的本领,但探索海洋彼岸的新大陆已不能满足人类的发现欲望。1865年,法国科幻大师儒勒凡尔纳的小说《从地球到月球》,以惊人的真实度描写了人类乘坐巨炮发射的飞船登月的故事。

20世纪50年代,人类对月球的探测和研究在美国和苏联的太空竞赛中迈开匆忙的脚步。1957年苏联成功发射颗人造卫星。短短两年后,苏联发射了人类个空间探测器“月球1号”。它主要测量了月球和地球磁场、宇宙射线的强度与变化。1959年9月13日,苏联发射的“月球2号”成功实现了在月面的硬着陆,成为了个登上月球的人造物体。10月,“月球3号”首次拍到了月球背面的照片。

美国直到1961年才开始发射月球探测器“徘徊者”号,而直到1964年,“徘徊者7”号才成功在月球上硬着陆,并发回照片。但美国的阿波罗登月计划后发制人,在1969年7月20日将两名宇航员成功送上月球,“阿波罗11”号成功降落在静海谷地,全球50亿人在电视机前见证这一历史性时刻。登月人尼尔·阿姆斯特朗“迈出了一小步,但却是人类探索太空迈出了一大步。”从1969年到1972年,“阿波罗计划”成功完成了6次登月,将12人送上月球。各次“阿波罗”飞行都对月球表面进行大量活动考察,搜集了月球岩石、土壤等标本,从月球上带回重达440公斤的样品和大量宝贵数据。但短暂的登月热潮也就此突然降温,科学家们指责巨额经费大都花在虚荣上,未能换来实际利益,苏联的飞行器探月计划也在1976年结束。

月球开发梦想不灭,源于极具诱惑的应用前景

月球上有人类发展需要的能源、资源和生存空间,经济、军事和政治价值都非常高,几乎可以说,谁取得开发月球的竞争优势,谁就占据了未来发展的制高点。

月球吸引人类的就是其能提供新的能源。地球缺少能源,而月球被专家们称为“21世纪的波斯湾”,储有地球上稀少的氦-3约100-500万吨。这种物质是无污染的核聚变反应堆的理想燃料。据科学家估算,200吨的核燃料氦-3就可以满足地球上1整年的能源需求。此外,月球还含有60多种丰富的矿藏,极具开发价值,可用来为人类服务。专家评价说,从可持续发展的角度看,地球上的能源、资源早晚要耗尽,人类迟早要飞出太阳系,走向外太空。

除了丰富的能源,人类还看中了月球的“居住”前景。1998年,美国发射的“月球探测者”发现月球上存在水。NASA的科学家当时宣布,月球上的两极存有1100万至3.3亿吨的水冰,可以满足人在月球上生存的需要,而水如果分解成氧和氢,又可以成为太空飞行器的重要燃料。美国由此制定了往月球移民的计划。此外,月球土壤中丰富的铝、铁、硅可以用来直接生产建材,建造房屋;太阳能电池阵则被放置在离此很近的阳光充足的区域,获得的电力源源不断,生活、科研、生产都够用。类似这样把人类迁移到月球的计划是各国月球开发宏图中都有的内容,月球因此被称为地球未来的“第八大洲”。

从人类向太空发展的角度看,月球还是十分理想和重要的中转基地和研发制造中心。比如月球引力小,在月球上组装、发射航天器更容易。美俄欧都有火星开发计划,先到月球基地,再从月球发射航天器到火星,是经济、科学的选择。与此同时,探月还可以带动许多技术的发展。“阿波罗”计划的实施就曾经带动美国的计算机技术、燃料技术、自动控制技术、测控技术等的发展。20世纪10年美国在信息技术方面的,都与此相关。据说,“阿波罗”计划中的3000多项技术都转化到了民用方面。

“路漫漫其修远兮”:梦想实现仍充满艰难险阻

从军事和国家战略的意义上看,月球尤为重要。月球远在离地球平均约38万公里的太空中,谁占据太空中的高位,谁的威慑力和优势就更大。美国防部就曾提出和NASA合作开发月球,在月球上建军事基地和火药库。专家也指出,美国一直在研究可以在太空部署的定向能武器和动能武器,前者包括激光武器、离子束武器、微波武器等,后者是指在太空中靠高速撞击来摧毁目标的武器。这两类武器如果放在月球基地上,都可以攻击地球周围的卫星。美军如能凭借技术形成垄断优势,那就意味着其可以在月球上攻击敌对目标,而对方则打不着它。

当然,真正要到月球上实现人类的构想,还有很多难题需要解决。比如要实现月球和地球之间的人、货运输,首先要有足够大推力的运载火箭;更难的是,要在没有大气包裹的月球表面着陆,如何保障安全是一个很大的难题。此外,如何从月球中提出氦-3,怎样实现核聚变,科技上都还没有已知的答案。正因为如此,登月才更凸显政治意义。哪个国家在开发上抢得先机或者实现突破,就能充分显示其综合国力的水平,对提高国家威望和民族自信心具有重要意义。

目前,各国正处于“各自为战”探索月球的现状。月球资源的开发和利用是全人类共同的权利,应该按照现有的国际空间法,坚持和平利用月球,反对“跑马占地”式的竞争。但同时也应该遵循先开发先获利的原则,鼓励各国积极开展探测月球的活动。此外,各国也可以采取搭载仪器、交换分享资料、以资金换技术等方式进行国际合作。月球开发不仅是对人类智慧的挑战,也是对人类和平愿望的考验。

助力月球基地建设,3D打印技术或将初试牛刀

欧洲航天局(ESA)1日公布了人类月球基地计划蓝图。该计划将通过机器人利用3D打印技术,将月球表面的风化土壤转变成建造性“月球基地”的建筑材料。目前研究人员已用1.5吨的模拟月壤造出一块“月球基地”建材样品。如果这个看似天方夜谭式的月球“盖房”计划获得成功,将使人类有朝一日移民月球甚至火星的梦想变成现实。

在几年前,3D打印技术对于一般人来说真的很科幻;然而时至今日,我们似乎每时每刻都在这个领域里看到突破,实现梦想。鉴于从地球运送建材的昂贵成本,使用月球现成的风化层土壤来3D打印的项目显然更有意义。这个可供4人居住的设置,其内部圆顶结构将在地球制造,像伞一样折叠起来再通过火箭运送到月球。该模块将运送到月球南极附近的建设工地那里几乎永远有阳光,从而减少极端恶劣的温度。待到圆顶充分膨胀之后,3D打印打印机便会就地取材,使用风化层材料覆盖其表面。这种物质会形成一个石头般的保护壳,以预防如陨石、伽马射线、剧烈的温度变化等威胁。其已经使用现有的D-Shape大型3D打印机,建成了1.5公吨由模拟的风化层(其实用的是地球的玄武岩)、氧化镁和有约束力的盐混合成的模拟建材块。欧空局在人航天团队的Scott Hovland表示,“3D打印提供了解决降低地-月物流成本和便利的潜在手段。这项工作开辟了新的可能性,可以认定为国际空间机构目前共同开发和发展战略的一部分”。

按照设想,这种使用3D打印技术打造的基地建筑,每个能够容纳四个人,不仅能够抵挡来自太空的细小陨石以及辐射,也能抵御月球上昼夜的巨大温差。专家们认为,当人类在未来的40年里真的移居月球时,这个基地能够为人类提供栖息地点。建造月球基地的建筑材料90%都应该直接在月球上取得,从而减轻从地球上的运输压力。实际上,月球表面的风化土壤并不适用作建筑原材料。因此在建造中,来自英国一家公司提供了一种移动打印喷头,它能够在3D打印时喷出黏合剂,将这些月球土壤黏合成整体。这家公司老板恩里科·迪尼说:“我们首先要把模拟月壤与氧化镁混合,而建筑墨水则是一种黏合盐,能把土壤变成像石头一样的固体。”目前,采用这种方式打印建筑物的速度约为每小时两米,而打印过程也可以在真空中进行。为了确保这种建筑能够在月球上的严酷气候条件下“保证质量”,英国福斯特建筑事务所特地为此设计了一种承重的“悬链”式穹顶。按照他们的说法,这种建筑的墙壁采用可充气的细胞状单元格结构,类似于鸟的骨头,不仅有着良好的强度,更有着较轻的重量。欧洲航天局人类空间飞行小组的斯科特·霍弗兰德表示,3D打印技术为人类建造月球基地提供一种可能性,其中重要的原则就是不依靠地球作为后勤基地。(窦豆/谢武)

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