漫遊太空,3D列印做得到!3個科幻情節正實際上演

2019.08.05 by
張庭銉
shutterstock
機器人在宇宙中憑空打造衛星,在火星列印殖民火箭與基地...這些聽起來超現實的畫面,正藉由3D列印(積層製造)逐步實現。

在阿波羅11號登月50週年之際,3D列印技術(積層製造)改變現今人類從事太空活動的方式,不只是列印火箭與衛星,還包括提供太空人「修補身體」的支援設備。

美國火箭製造商Relativity Space這陣子在卡拉維爾角空軍基地翻修LC-16(16 號發射複合體),為預計在今年底發射的人族一號(Terran 1)做準備,該火箭有高達95%零件由3D列印機製造。

火箭列印機高達2層樓,殖民其他星系不可或缺

回到今年1月,Relativity Space對外宣布與美國空軍簽下為期5年的協議,並獲得LC-16的使用權,此前,美國空軍批准的民營公司有馬斯克的SpaceX、貝佐斯的Blue Origin、聯合發射同盟(United Launch Alliance),Relativity Space則是第4家,獲得LC-16使用權讓他們省去為期4年的發射台建造工程。

Relativity正在測試它們的3D列印火箭引擎Aeon。
Relativity Space

Relativity Space無法在市面上找到打造火箭所需的列印機,所以他們自己設計一個「世界最大的」金屬列印機叫「星際之門(Stargate)」,占據Relativity位於洛杉磯總部兩層樓大的空間。

條狀金屬輸入星際之門列印機,在機器內部的高溫下熔化,接著從另一端出現並迅速冷卻,與火箭構造的其餘部分結合。讓人族一號的火箭生產期程縮短為60天,而目前同業製造火箭的所耗時間平均是18個月。(設計、生產一次到位!「3D列印」4個突破正徹底瓦解造物規則

Relativity官網上顯示人族一號飛離地面1,200公里的高度的有效負載重量為700公斤。
Relativity Space官網截圖

Relativity Space的3D列印引擎Aeon目前為止已試射過上百次,該公司總裁Rob Fabian表示,3D列印引擎當中儲存液態氧與液態甲烷的塑膠合金燃料核心(fuel core),比其他固體燃料更為可靠、平穩。其他火箭商如Rocket Crafters(RCI)也計劃在今年結束之前,將自家3D列印的引擎裝配在發射試飛的火箭上。

「3年前公司創立時,我們的願景是在火星上列印火箭,」Relativity Space的CTO(首席技術官)Jordan Noone對合眾國際社(UPI)的記者說道,他和其他幾位目前的同事也曾在SpaceX共事過。

Relativity Space的火箭列印機。
Relativity Space

3D列印機對人類在其他星球的殖民大業至關重要,Noone表示,「我們希望它能夠使用那裡的任何可用材料,」在不一定有冶煉專家的狀況下,列印機將知道如何使用火星上發現的金屬。

太空旅行關鍵在「適應」,脫離地球長期發展是最終目標

3D列印實現人類太空旅行的另一重要進展,集結在SpaceX的「天龍號(Dragon)」太空船上。

作為第一艘抵達國際太空站(ISS)的私人太空船,能重複執行任務的「天龍號」於7月25日被SpaceX獵鷹9號(Falcon 9)火箭送上太空。這次任務代號為「CRS-18」, 是天龍號第3度接上國際太空站,同時為NASA(美國太空總署)補給2,300公斤的物資與研究設備。

SpaceX的「天龍號」太空船可以重複執行太空任務,相當環保。
Shutterstock
SpaceX於7月25日在卡納維拉爾角空軍基地的SLC-40發起第18次商業補給任務(CRS-18)。

這些送上太空站的設備當中,包括nScrypt的列印機,它不但可以列印印刷電路板(PCB)、專用天線等其他高科技產品,還能印製煎餅。(氣墊鞋、泡麵裡的蔬菜包都是!源自登月計劃的10大技術

日前nScrypt與生技專家合作透過「BFF生物列印機」列印一種叫做「鷹架(scaffolding)」的網狀物,讓人類的幹細胞可以生長成各種器官及組織,這次的目標便是在太空站微重力(micro-gravity)的環境下測試,評估軟組織列印對人類在宇宙活動的助益。

SpaceX將nScrypt的「BFF生物列印機」發射到太空、運到國際太空站。
nScrypt

很多類似nScrypt的研究設備都在「天龍號」上,像是Space Tango主導的多功能幹細胞研究,將在太空站裡培養患有多發性硬化症(multiple sclerosis)和帕金森氏症患者的腦細胞,意圖避免太空人在長期任務中受到神經退化疾病的侵害

令人矚目的,還有由英國愛丁堡大學科研團隊BioRocks主持的「生物岩」專案,研究促進微生物在微重力環境中與岩石相互作用,旨在幫助人類更有效地了解微生物在太空中的活動與增長方式,為月球與火星的生物採礦(biomining)鋪路,聽起來有點玄,不過在地球上已有大量採礦業利用微生物作為助手。

顯微鏡中的畫面,鞘氨醇單胞菌(Sphingomonas desiccabilis)正在玄武岩上生長。它是BioRock實驗中的三種微生物之一,將測試太空中變動的重力狀態如何影響微生物的作用。
ESA

除此之外,Space Moss團隊將評估微重力如何影響耐寒植物的發育、生長和基因組合。該團隊成員表示,最終目標是在月球和火星上種植植物,並幫助地球的研究人員打造更高效生長的作物。

天龍號計畫安裝在國際通用對接器IDA–3上,向國際太空站投送物資與研究設備。
YouTube截圖

NASA斥資新台幣23億元,想在真空環境中列印衛星

另一家公司, Made In Space獲得NASA投資7,370萬美元(約新台幣23億元)合約,打造能在近地軌道(LEO)3D列印的技術設備。

NASA的太空科技任務理事會(Space Technology Mission Directorate)副主任Jim Reuter表示,太空機器人的積層製造無疑地是遊戲規則變革者(game-changers),也是未來太空探索的基本能力。

Archinaut One在近地軌道組裝衛星零件的影片

Made In Space命名為「Archinaut One」的小型衛星能在微重力的狀態下進行積層製造,計劃從衛星系統的兩側列印兩個長近10公尺的樑架(beams),兩側樑架支撐的太陽能電池陣列,是相同尺寸衛星所搭載傳統太陽能電池板的5倍長度,對應發揮更好的功率。

「Archinaut」專案於2015年首度發布,集結Made In Space的擴展結構積層製造機(ESAMM),賦予Archinaut在太空的真空與溫度環境下列印熱塑性材料的能力。2018年,Archinaut製造長達37.7公尺的樑架,打破金氏世界紀錄成為「最長的3D列印非組裝零件」。

Archinaut One在近地軌道上運轉時,自行積層製造支撐太陽能板的樑架示意圖。
YouTube截圖

Made In Space的方針是允許人們在太空進行通訊天線的遠距建設,以及太空望遠鏡等其他複雜裝置的構築,這將消除火箭的負載限制;同時藉由Archinaut來執行任務,以降低目前太空人在宇宙行動的風險。

責任編輯:陳映璇

資料來源:Space.comUPI3DPrintingIndustryRelativitySpace

延伸閱讀

每日精選科技圈重要消息