2026年3月19日，南极熊获悉，普渡大学的研究人员在《npj
advancedmanufacturing》杂志上发表了一篇题为“Powder characterization forin-space
additive manufacturing”的综合评论，指出基于粉末的增材制造技术是一种可行的策略，可以直接在太空中建造工具、栖息地和基础设施，利用轨道上和月球表面上已有的材料。本论文由D. Scott Fernander、Rakeshkumar Karunakaran、Paul R. Mort 和 Michael P. Sealy撰写。
2024年猎鹰9号火箭发射成本仍高达每公斤约12,682美元，因此，在太空环境中就地获取材料的经济压力已成为一项核心工程挑战。粉末基增材制造技术因其设计灵活性和材料效率，已在地球上得到广泛应用，如果能够适应月球表面-250°C至250°C的微重力、真空和温度变化范围，则在太空应用领域具有特别广阔的前景。
△本文概述了基于粉末的太空增材制造（ISAM），重点介绍了原料来源、粉末在太空环境下的性能、表征策略和工艺控制等方面的相互关联的挑战。图片来自 Michael P. Sealy 等人，《npj 先进制造》
文中已确定两种主要原料来源。月壤，即覆盖月球表面的细小碎屑物质，由陨石撞击历经数百万年形成，其中90%的颗粒直径小于1000微米，天然适用于粉末基制造技术。回收的轨道碎片是第二种可行的原料来源。据估计，目前有9500吨金属材料在绕地球运行，其中约有40500个大于10厘米的物体，约110万个介于1厘米和10厘米之间的碎片，以及超过1.3亿个小于1厘米的碎片。废弃的卫星和火箭残骸可以被捕获，利用激光诱导击穿光谱或X射线荧光光谱进行分选，然后通过机器人系统雾化成可打印的金属粉末。美国宇航局的在轨制造和回收再利用计划，以及欧洲航天局的ClearSpace
-1（计划中的主动碎片清除航天器），已经在探索这些回收方法。
人们非常关注太空环境如何以地球上的系统无法应对的方式扰乱粉末的行为。在微重力环境下，即使对于相对较大的颗粒，范德华力也会占据主导地位，导致粉末结块、分散不规则，并堵塞喷嘴。在地球上，这些力仅对几十微米以下的颗粒显著。而在月球重力（约为地球重力的六分之一）下，它们在更广泛的颗粒尺寸范围内都占据主导地位，从根本上改变了流动动力学。
△月球和火星上风化层形成的主要环境过程及其对增材制造相关颗粒形态、尺寸和表面特征的影响对比。图片来自 Michael P. Sealy 等人，《npj 先进制造》
月球风化层加剧了这些问题。与地面3D打印系统中使用的光滑球形粉末不同，月壤颗粒崎岖不平，形状不规则。由于缺乏大气层的侵蚀，陨石撞击产生的颗粒相互交错，堆积密度低，难以形成粉末床熔融和粘结剂喷射成型所需的均匀层状结构。此外，太阳风还会使月球颗粒带上静电，进一步加剧团聚和表面粘附。极端温度进一步增加了复杂性。月球表面白天的最高温度为 250°C，这一温度阈值超过了 PLA 和ABS
等聚合物的熔点。即使是金属粉末也会受到影响：高温会降低屈服强度，通过变形改变颗粒形状，并增加颗粒间的摩擦带电。真空环境使得气力输送和流化等气体辅助粉末输送方法无法使用，只能依靠纯机械方式进行输送。
△图示为每次密度测量所记录的面积。图片来自 Michael P. Sealy 等人，《npj 先进制造》
在评估的粉末生产方法中，电解法被认为是最适合太空环境的方法。它不受重力影响，可利用太阳能，并可利用水或富含金属的风化层等当地资源。当当地有金属氧化物和还原剂时，化学还原法也被认为是可行的。值得注意的是，粘结剂喷射工艺能够在固化过程中不熔化陶瓷粉末，从而降低了加工过程中的能源需求，尽管它通常需要一个高能耗的后处理步骤。为确保质量，本文重点介绍了两种适用于太空环境的监测方法。扭矩-光学反馈系统可通过透明凝固窗口实时检测粉末层缺陷。激光声学共振光谱（LARS）技术利用激光激发打印部件，并分析声学共振异常，能够识别小至 1mm x 1mmx 200 微米的内部缺陷，且无需专用平台即可与现有设备集成。
△计算流体动力学模拟和实验测量。图片来自 Michael P. Sealy 等人，《npj 先进制造》。
在建模方面，马格德堡大学的研究人员模拟了风化层通过沙漏几何形状的流动，以复制粉末通过定向能量沉积喷嘴的运动；而圣弗朗西斯科河谷联邦大学的一个团队正在模拟空气流经粉末床，以此作为在零重力下稳定颗粒的机制，取代重力在地球上的作用。
多个由NASA资助的项目已将这项研究成果转化为硬件。专注于金属混合增材制造的Big Metal Additive公司正致力于减少材料浪费并缩短月球栖息地结构的生产时间。太空基础设施公司Redwire正在开发一个平台，用于将月壤加工成道路、着陆平台和栖息地地基。在地球上拥有丰富3D打印混凝土结构经验的建筑技术公司ICON正与NASA合作，调整系统以用于月球栖息地的建造。航空航天公司Blue Origin正在推进原位资源利用技术，从月壤中提取氧气和金属，用于在月球上生产太阳能电池和电线。
来源：南极熊
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