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《科学24小时》

开博时间:2016-07-01 14:43:00

旨在向全国广大群众,特别是具有中等文化程度的广大青年,普及科学技术知识,繁荣科普创作,启迪思想,...

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培养太空探索接班人

2017-06-08 15:54:00

  在宇宙空间制造人造物体,一直是科幻小说的重要情节之一。相信《星际迷航》 (Star Trek)的影迷们对于这一桥段一定不会陌生 — — 飞船上的3D打印机直接打印出了一杯香浓的摩卡咖啡。

  如今,在美国宇航局(NASA)的主导下,在宇宙空间运用3D打印技术终于成为了现实。

  太空3D打印梦想成真2014年11月17日,NASA在国际空间站成功安装了世界首台零重力3D 打印机。它高 30 厘米、宽 24 厘米、长36厘米,被安装在空间站的微重力科学手套箱(MSG)里。

  NASA 之所以痴迷于太空 3D 打印,主要在于宇航员可以使用3D打印机来更换破损的零部件,甚至使用3D打印的零部件组装完整的空间设备,避免动用火箭输送,降低空间站的运行成本和风险。

  在此之前,当太空中的宇航员需要一个替换件时,只能向地面基发出请求,等待下一次物资输送时才能到手。而每往太空输送一盎司(相当于28克)物资就要花费数千美元,而且地面工程师需要经过复杂的设计和包装,使物质在太空飞船中所占的空间最小化,同时运输火箭还必须满足相应的推力。因此太空3D打印技术的出现和成熟,将会改变太空探索的方式,对于人类未来的深空探测活动极其重要。

  如今,世界首台零重力3D打印机正在帮助宇航员在微重力环境中进行“增材制造”(Additive Manu-facturing,AM)试验,目前已经打印了21个塑料配件,出现在《星际迷航》中的科幻场景似乎已经离我们不再遥远。

  说到“增材制造” (AM),这是一种采用材料逐渐累加的方法制造实体零件的技术,在短短20年里,这项“自下而上”的制造技术就已突飞猛进。借助AM技术的发展,3D打印技术真正打开了设计大门,由此能够生产出传统制造工艺难以实现的复杂形状的部件。

  零重力3D打印技术验证的目标是进行太空AM试验,以探究AM技术作为持续太空制造可靠平台的应用价值。其中,第一阶段的打印将包括一系列的工程测试样品,这些样品将被送回地球用于科研分析,随后与该3D打印机在地面的NASA马歇尔太空飞行中心打印的样品进行比较。如果人类想尝试未来在太空中制造大量材料和装备的能力,那么如今的AM试验将是绝好的试金石。

  405份方案带着理想飞翔2016年2月,在美国机械工程师协会(ASME)基金会的帮助下,NASA在美国纽约的无畏号海洋航空航天博物馆内,启动了“未来工程师3D打印星际迷航复制品挑战赛”(Fu-ture Engineers 3- D PrintingStar Trek Replica-tor Challenge,以下简称“未来工程师挑战赛”)。

  这项赛事旨在激发青少年对3D 打印技术和星际旅行的兴趣。通过3D设计和打印,让所有年龄段的孩子发挥空间想象力,并用3D打印机打印出他们喜欢的产品。该赛事的举办方和赞助方甚至鼓励学生大胆尝试以前没有人涉及过的领域 — — 使用3D打印技术设计出能使航天员“多福多寿”的解决方案。

  根 据“ 未来工程师挑战赛 ”的主旨,学生们需要思考未来可能存在的长期太空任务,运用3D打印技术帮助宇航员在2050年的太空之旅中吃上营养餐,同时还要从可持续材料中获得在太空实现3D打印的目标。参赛作品可以包括耕作用品、生物容器、餐饮用品、食物容器,甚至能够种植的农作物等任何他们能想到的太空用品。NASA 马歇尔太空飞行中心的科学家尼基·维克海瑟在“未来工程师”挑战赛开幕式上指出: “可持续发展对于活动时间较长的太空任务来说非常重要,我们需要在远离地球的地方运用制造技术,创建所有未来的宇航员所需要的物品。”

  经过几个月的设计建模,组委会收到了405份优秀设计方案,这些方案从有关种植和收获作物的方式,到针对准备、进食和处理食物的创意,种类繁多,应有尽有。组委会对这些方案的评判标准很简单:是否能在未来帮助宇航员在太空中进餐,并且能够轻易且不间断地在太空环境中制造出未来宇航员可能需要的物品。作为奖励,NASA 极有可能在未来进行的太空探索中,使用这些由学生们提供的创意和技术。

  两座3D打印农场一举夺冠在本届挑战赛中,青少年组(13-19岁) 的冠军是来自美国亚利桑那州德塞特维斯塔高中的凯尔·科雷特,他设计的太空辐射驱动器格外引人注目。而另外3名决赛选手通过3D打印,设计的螺旋藻农和多功能杯子等产品同样使人耳目一新。

  从本质上说,科雷特设计的太空辐射驱动器就是一个3D打印的微型农场,这个农场为宇航员打造了一个可以长时间使用的有机生长的真菌温床,为他们提供了有机食物的来源,确保他们能够在星际空间中吃上营养丰富的食物。

  真菌是一种真核生物,最常见的是各类蕈类,另外也包括霉菌和酵母。目前,人类已经发现了七万多种真菌,但据科学家估计,这还只是所有真菌的一小部分。

  在太空辐射驱动器中,真菌使用放射性能源作为动能,由于电离辐射在太空中普遍存在,因此它们可以作为可持续再生的食物来源。为了供养真菌,科雷特用泵把水灌入挤压的进水管里,使其进入穿过有机生长真菌温床里的内部管道。整套设备制作精良,确保真菌能在微重力环境下茁壮生长。而科雷特选用的3D打印材料也是不易弯曲的防水塑料,可以将太空辐射驱动器的功能发挥到最佳状态。

  少年组(5-12岁)的冠军是来自鹰岭中学的斯雷亚希·索拉,由他开发的太空迷你农场同样令所有评委叹为观止。

  索拉的太空迷你农场是为在火星上种植新鲜食品而设计的,它能保证宇航员的健康。与科雷特设计的太空辐射驱动器不同,迷你农场利用太阳能来种植粮食。由于火星远离太阳,获取的阳光比地球上少得多,因此,太空迷你农场安装有一个放大镜,用来收集阳光,并将其直接照射到植物体上。此外,火星上的空气也比地球上稀薄,迷你农场为此也増添了一个可以定期增压的泵,能够把农场内的压力增至地球压力的1/10左右。装入这个3D打印的缩小版透明温室里的土壤,也和来自火星土壤的营养成分完全一致。

  更为关键的是,在太空迷你农场的方案中,完全不需要使用任何电子零件,因此未来人们可以直接从火星土壤中提取材料,进行3D打印建造。

  虽然少年组的冠军已经确定,但NASA表示,少年组的另外3个决赛项目也非常具有开发前景,它们分别是3D打印的生物反应器、水冷凝器和E-Z搅拌机。

  太空旅行和探索的先锋如今,随着高新信息的广泛普及,NASA的发展思路也在悄然发生变化。以此次“未来工程师挑战赛”为例,他们正是借助了青少年学子的力量,不断努力改进和改造未来3D打印机在宇宙中的使用技术。

  NASA已然意识到集思广益的重要性,从前几年向社会公开征集太空车的命名方案,到如今热忱欢迎学生们的头脑风暴,这是一个极大的进步。2016年开展的首次3D打印产品竞赛,让许许多多的孩子体会到了其中的乐趣。

  或许对于此次比赛的冠军而言,从一个方案雏形,到让自己的作品能够在国际空间站的机载3D打印机上真正成功使用,这其中仍要经历不少挑战,面对不少困难,但通过这次挑战赛的经历,相信这些“未来工程师”会意识到,人人都有机会成为未来太空旅行与探索的先锋,都有机会为人类的宇宙探索做出一些贡献。

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