摘要
1969年7月20日，宇航员尼尔·阿姆斯特朗成为第一个在月球上行走的人。在接下来的3年里，又有11人追随他的脚步。然而，近50年来，宇航员还没有重返月球。从那时起，科学家们就开始讨论把人类送回月球甚至火星。一些科学家希望在太空中建立永久殖民地，以防地球上的资源耗尽。但是，如何在一个没有建筑材料、设备或劳动力的地区建造居住和工作场所呢?一个有希望的解决方案可能是三维打印。
什么是3d打印建筑?
你可能听说过三维(3D)打印，这是一种制造我们日常使用的东西的新方法。3D打印可以用来制造玩具、食品、人体器官等等!3D打印机将塑料、金属或木材等材料层层挤出来制造3D物体。你知道3D打印也被用于建造房屋、办公室和其他建筑物吗?这种3d打印建筑的方法发明于1998年，但在过去的5年里得到了真正的发展。3d打印建筑将混凝土等建筑材料挤出来，形成墙壁、梁和柱等组件，甚至整个建筑。3D打印可以创建的结构的类型和形状没有限制(图1)。
- 图1 -地球上两个3d打印建筑的例子。
- (一)作者与一个混凝土营房小屋，用来容纳军事部署部队。兵营小屋的墙壁在48小时内3d打印完成!(B)图为，作者正在制作“刺猬屏障”。“刺猬屏障”是一种可以保护军事基地的车辆障碍物。正如你所看到的，3d打印建筑可以用于各种结构。
一些科学家希望在太空中建立永久的殖民地和结构，以防地球上的资源耗尽。在太空中可能有用的结构包括掩体、航天飞机机库、道路、着陆和发射台以及防爆墙[1]。随着人类在太空中停留的时间越来越长，可能还需要更复杂的结构，包括研究实验室、车库、温室和其他长期建筑。
与传统建筑相比，太空3D打印有两大优势。首先，建筑物可以用太空中发现的材料打印出来，比如碎石和灰尘。其次，3D打印几乎不需要工人。这意味着在宇航员到达之前，殖民地就可以为他们准备好了。
太空材料:月球岩石和更多
航天飞机和火箭的载货空间有限，而且飞行频率也不高，因此向太空运送物资的成本很高。事实上，向火星运送补给的成本高达每公斤100万美元。2] !出于这个原因，用太空材料建造可以节省数十亿美元。三种常见的空间材料是风化层，玄武岩,硫（图2)。科学家们正在研究收集和加工这些材料用于建筑的技术。
- 图2 -在太空中发现的物质。
- (一)风化层，覆盖月球表面的碎石。(B)玄武岩，一种在月球上发现的火成岩。(C)火星上的尘埃含有一种叫做硫的物质。
风化层是月球表面经过几个世纪的微陨石撞击后形成的碎石和尘埃层。它是太空3d打印建筑中最简单、最常用的材料。玄武岩是一种火成岩，这意味着它是在熔岩流中形成的。它大约占月球近面表面的26%。玄武岩可以抵抗太阳的辐射，可以用来建造加压结构。硫是火星上常见的物质。它有时用于混凝土中，以帮助其他成分更好地粘在一起。
潜在的建筑材料在太空中是丰富的。然而，增强材料，如钢就不是。在地球上，钢铁为建筑物提供了额外的强度，帮助它们抵抗拉伸力，也就是所谓的张力或者张力。没有钢，混凝土结构会开裂和断裂。为了减少对钢材的需求，建筑可以依靠钢材来设计压缩［3.]。压缩与张力相反。它发生在混凝土被负重和压实(被负荷压实)的时候。两个基于压缩设计的例子是拱门和圆顶。
图3展示了钢筋混凝土梁是如何承受压缩和拉伸的。梁是许多建筑物的基本组成部分，它们支撑重量，就像地板、屋顶和人一样。因为月球的引力比地球的引力弱83%，所以空间结构受到的拉伸和压缩力更小。这使得工程师可以打印更轻、更薄的结构，并且使用更少的材料。3.]。
- 图3 -重量在钢筋混凝土梁中产生压缩和拉伸。
- 原来的横梁(蓝色虚线)是直的。当重量加在梁上时，它在负荷下弯曲(蓝色实线)。梁的顶部在弯曲时缩短(压缩)。这是一件好事，因为混凝土在压缩下很坚固。梁的底部在弯曲(张力)时延长和拉伸。这是一个挑战，因为混凝土在张力下很弱。然而，在梁的底部(灰线)放置钢筋杆有助于控制张力。
为人类建造的打印机
甚至在人类到达之前，3D打印就可以用来在月球和火星上建立殖民地。提前建造有助于宇航员到达太空时的安全。例如，建筑物可以保护宇航员免受太阳辐射和太空碎片的伤害。加压建筑甚至可以为宇航员提供一个生活和工作的地方，而不需要他们的太空服。
与人类工人不同，打印机不需要空气、水或食物。这节省了资金，使空间建设更容易。此外，与人类不同，打印机不需要停下来休息。这意味着3D打印可以比普通建筑更快地完成。与人类相比，打印机也更加可靠和一致。当编程正确时，打印机减少错误，增加安全性，并提高施工质量。更好的施工和更少的错误意味着更少的时间和金钱用于修复第一次没有正确完成的事情。
如何打印
2015年，NASA邀请了来自世界各地的团队参加3 d打印技术竞争。它被称为3d打印栖息地挑战赛，奖金为250万美元。比赛分三个阶段进行。首先，每个团队提交了他们最好的栖息地设计。接下来，这些团队根据太空中可用的材料开发了打印材料。最后，团队使用他们的材料3d打印他们的设计。竞赛的目标是改进美国宇航局在太空中建造结构的方式。最后，有些想法比其他的更成功。然而，每个想法都帮助美国宇航局了解什么在太空中可行，什么不可行。例如，圆顶和气泡设计似乎都很有前途。 Teams were successful using both space materials and recycled trash in their printing mixes. However, one big challenge NASA must address in the future is scalability, or the ability to make the structures full size. Engineers know that designs that work well in models are not always as good when built full-size. NASA and companies like Made in Space are working on improving the scalability of 3D-printed construction.
一种可能的太空3D打印方法叫做轮廓设计．轮廓工艺首先在层中挤出材料。然后，它使用内置的一种叫做镘刀的铺展工具，将这些层塑造成光滑的表面。刨削过程可以获得更高质量的成品结构。轮廓工艺引起NASA的兴趣主要有三个原因。首先，它是地球上最可靠、最成熟的3D打印方法之一。其次，它可以用来安全、廉价地打印所需的结构。第三，轮廓制作工作与空间材料，如风化层。
一个研究小组想把轮廓加工和一个叫做ATHLETE的机器人系统结合起来。4]。ATHLETE代表全地形六肢外星人探索者。ATHLETE是“全地形”，因为它可以穿越不平坦的月球或行星表面。“Hex-Limbed”是指运动员有六条手臂。这些臂允许它使用多种工具来导航和构建组件。最后，“Extra-Terrestrial”一词意味着ATHLETE被设计用于太空。它从太阳收集能量，并将其用作可再生能源。这意味着它不需要插电或提供燃料来运行。
期待
太空3D打印面临着一些独特的挑战。在低重力环境下打印是困难的。1]。打印机需要内置冗余(额外的部件)以防材料损坏。如果出现问题，打印机必须易于维修。打印机必须足够耐用，能够在极端温度、沙尘暴和月震中工作。1]。最后，如果打印机是无人驾驶的，它们需要能够从地球上进行控制。这意味着它们必须能够在长距离上无延迟地操作和通信。3.]。
目前，3d打印建筑正处于概念验证和验证阶段。1]。这意味着科学家们仍在学习3D打印能做什么，以及它是否能在太空中发挥作用。为了指导3D打印的发展，他们为未来设定了几个目标。到2040年，科学家们希望开始使用3d打印建筑来建造太空殖民地。到2065年，科学家们希望太空3D打印能够长期支持殖民地。最后，科学家们认为，到2115年，太空中的3d打印建筑将完全独立于人类和地球资源。5] !
与此同时，为太空开发一种可靠的3D打印方法有助于推进地球上的3D打印。例如，在太空中建造庇护所教会了我们在地球上建造低成本、高质量房屋的更好方法。通过寻找收集太空材料的方法，我们可以改善我们在地球上获取资源的方式。这支持在地球和太空中更快、更便宜、更好的建设。简单地说，3d打印的建筑是出了这个世界!
术语表
风化层：↑经过几个世纪的微陨石撞击，月球表面产生了破碎的岩石和尘埃。
玄武岩：↑月球背面的一种火成岩，通常发现于月球的近侧，能抵抗太阳的辐射。
硫：↑火星上常见的一种物质，用来帮助混凝土的成分混合在一起。
张力：↑梁被拉伸时的状态。
压缩：↑梁在载荷作用下受压和压实时的状态。
3 d打印技术：↑打印:通过逐层打印来制造或构造物品和结构的过程
轮廓设计：↑一种3D打印方法，将材料分层挤出，然后用机器人镘刀将其磨平。
免责声明
本文仅代表作者个人观点，不代表美国空军、国防部或美国政府的官方政策或立场。
利益冲突
作者声明，这项研究是在没有任何商业或财务关系的情况下进行的，这可能被解释为潜在的利益冲突。
参考文献
［1］↑Mueller, R. P.， Sibille, L.， Hintze, P. E.， Lippitt, T. C.， Mantovani, J. G.， Nugent, M. W.等。2014。玄武岩风化粉添加剂施工．可在网上查阅:https://www.scopus.com/inward/record.uri?eid=2-s2.0-84936748071&doi=10.1061%2f9780784479179.042&partnerID=40&md5=e6a74f7a3e2d91b587222c4a1d49d302
[2]↑Howe, a.s.， Wilcox, B.， McQuin, C.， Mittman, D.， Townsend, J.， Polit-Casillas, R.等。使用本地材料的模块化增材结构．可在网上查阅:https://www.scopus.com/inward/record.uri?eid=2-s2.0-84936803844&doi=10.1061%2f9780784479179.034&partnerID=40&md5=09bf4e34736d6cc394505bd3f466ee62
[3]↑Leach, N.， Carlson, A.， Khoshnevis, B.， and Thangavelu, M. 2012。轮廓工艺的机器人建造:月球建造的例子。Int。j . Archit。第一版。10:423-38。1478 - 0771.10.3.423 doi: 10.1260 /
[4]↑Howe, s.a, Wilcox, b.h.， McQuin, C, Townsend, J.， Rieber, r.r.， Barmatz, M.等。2013。“向月球发送结构:自由形状增材结构系统(FACS)”，AIAA SPACE 2013年会议和博览会(圣地亚哥，CA:美国航空航天研究所)。doi: 10.2514/6.2013 -5437
[5]↑Mueller, r.p.， Howe, S.， Kochmann, D.， Ali, H.， Andersen, C.， Burgoyne, H.等。2016。利用原位资源的地球和空间自动增材结构(AAC)．可在网上查阅:https://www.scopus.com/inward/record.uri?eid=2-s2.0-84995371337&doi=10.1061%2f9780784479971.036&partnerID=40&md5=c0311e7e39f28dca5d30dae283825e00