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                    《科學24小時》

                    開博時間:2016-07-01 14:43:00

                    旨在向全國廣大群眾,特別是具有中等文化程度的廣大青年,普及科學技術知識,繁榮科普創作,啟迪思想,開拓視野。

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                    培養太空探索接班人

                    2017-06-08 15:54:00

                      在宇宙空間制造人造物體,一直是科幻小說的重要情節之一。相信《星際迷航》 (Star Trek)的影迷們對于這一橋段一定不會陌生 — — 飛船上的3D打印機直接打印出了一杯香濃的摩卡咖啡。

                      如今,在美國宇航局(NASA)的主導下,在宇宙空間運用3D打印技術終于成為了現實。

                      太空3D打印夢想成真2014年11月17日,NASA在國際空間站成功安裝了世界首臺零重力3D 打印機。它高 30 厘米、寬 24 厘米、長36厘米,被安裝在空間站的微重力科學手套箱(MSG)里。

                      NASA 之所以癡迷于太空 3D 打印,主要在于宇航員可以使用3D打印機來更換破損的零部件,甚至使用3D打印的零部件組裝完整的空間設備,避免動用火箭輸送,降低空間站的運行成本和風險。

                      在此之前,當太空中的宇航員需要一個替換件時,只能向地面基發出請求,等待下一次物資輸送時才能到手。而每往太空輸送一盎司(相當于28克)物資就要花費數千美元,而且地面工程師需要經過復雜的設計和包裝,使物質在太空飛船中所占的空間最小化,同時運輸火箭還必須滿足相應的推力。因此太空3D打印技術的出現和成熟,將會改變太空探索的方式,對于人類未來的深空探測活動極其重要。

                      如今,世界首臺零重力3D打印機正在幫助宇航員在微重力環境中進行“增材制造”(Additive Manu-facturing,AM)試驗,目前已經打印了21個塑料配件,出現在《星際迷航》中的科幻場景似乎已經離我們不再遙遠。

                      說到“增材制造” (AM),這是一種采用材料逐漸累加的方法制造實體零件的技術,在短短20年里,這項“自下而上”的制造技術就已突飛猛進。借助AM技術的發展,3D打印技術真正打開了設計大門,由此能夠生產出傳統制造工藝難以實現的復雜形狀的部件。

                      零重力3D打印技術驗證的目標是進行太空AM試驗,以探究AM技術作為持續太空制造可靠平臺的應用價值。其中,第一階段的打印將包括一系列的工程測試樣品,這些樣品將被送回地球用于科研分析,隨后與該3D打印機在地面的NASA馬歇爾太空飛行中心打印的樣品進行比較。如果人類想嘗試未來在太空中制造大量材料和裝備的能力,那么如今的AM試驗將是絕好的試金石。

                      405份方案帶著理想飛翔2016年2月,在美國機械工程師協會(ASME)基金會的幫助下,NASA在美國紐約的無畏號海洋航空航天博物館內,啟動了“未來工程師3D打印星際迷航復制品挑戰賽”(Fu-ture Engineers 3- D PrintingStar Trek Replica-tor Challenge,以下簡稱“未來工程師挑戰賽”)。

                      這項賽事旨在激發青少年對3D 打印技術和星際旅行的興趣。通過3D設計和打印,讓所有年齡段的孩子發揮空間想象力,并用3D打印機打印出他們喜歡的產品。該賽事的舉辦方和贊助方甚至鼓勵學生大膽嘗試以前沒有人涉及過的領域 — — 使用3D打印技術設計出能使航天員“多福多壽”的解決方案。

                      根 據“ 未來工程師挑戰賽 ”的主旨,學生們需要思考未來可能存在的長期太空任務,運用3D打印技術幫助宇航員在2050年的太空之旅中吃上營養餐,同時還要從可持續材料中獲得在太空實現3D打印的目標。參賽作品可以包括耕作用品、生物容器、餐飲用品、食物容器,甚至能夠種植的農作物等任何他們能想到的太空用品。NASA 馬歇爾太空飛行中心的科學家尼基·維克海瑟在“未來工程師”挑戰賽開幕式上指出: “可持續發展對于活動時間較長的太空任務來說非常重要,我們需要在遠離地球的地方運用制造技術,創建所有未來的宇航員所需要的物品?!?/font>

                      經過幾個月的設計建模,組委會收到了405份優秀設計方案,這些方案從有關種植和收獲作物的方式,到針對準備、進食和處理食物的創意,種類繁多,應有盡有。組委會對這些方案的評判標準很簡單:是否能在未來幫助宇航員在太空中進餐,并且能夠輕易且不間斷地在太空環境中制造出未來宇航員可能需要的物品。作為獎勵,NASA 極有可能在未來進行的太空探索中,使用這些由學生們提供的創意和技術。

                      兩座3D打印農場一舉奪冠在本屆挑戰賽中,青少年組(13-19歲) 的冠軍是來自美國亞利桑那州德塞特維斯塔高中的凱爾·科雷特,他設計的太空輻射驅動器格外引人注目。而另外3名決賽選手通過3D打印,設計的螺旋藻農和多功能杯子等產品同樣使人耳目一新。

                      從本質上說,科雷特設計的太空輻射驅動器就是一個3D打印的微型農場,這個農場為宇航員打造了一個可以長時間使用的有機生長的真菌溫床,為他們提供了有機食物的來源,確保他們能夠在星際空間中吃上營養豐富的食物。

                      真菌是一種真核生物,最常見的是各類蕈類,另外也包括霉菌和酵母。目前,人類已經發現了七萬多種真菌,但據科學家估計,這還只是所有真菌的一小部分。

                      在太空輻射驅動器中,真菌使用放射性能源作為動能,由于電離輻射在太空中普遍存在,因此它們可以作為可持續再生的食物來源。為了供養真菌,科雷特用泵把水灌入擠壓的進水管里,使其進入穿過有機生長真菌溫床里的內部管道。整套設備制作精良,確保真菌能在微重力環境下茁壯生長。而科雷特選用的3D打印材料也是不易彎曲的防水塑料,可以將太空輻射驅動器的功能發揮到最佳狀態。

                      少年組(5-12歲)的冠軍是來自鷹嶺中學的斯雷亞?!に骼?,由他開發的太空迷你農場同樣令所有評委嘆為觀止。

                      索拉的太空迷你農場是為在火星上種植新鮮食品而設計的,它能保證宇航員的健康。與科雷特設計的太空輻射驅動器不同,迷你農場利用太陽能來種植糧食。由于火星遠離太陽,獲取的陽光比地球上少得多,因此,太空迷你農場安裝有一個放大鏡,用來收集陽光,并將其直接照射到植物體上。此外,火星上的空氣也比地球上稀薄,迷你農場為此也増添了一個可以定期增壓的泵,能夠把農場內的壓力增至地球壓力的1/10左右。裝入這個3D打印的縮小版透明溫室里的土壤,也和來自火星土壤的營養成分完全一致。

                      更為關鍵的是,在太空迷你農場的方案中,完全不需要使用任何電子零件,因此未來人們可以直接從火星土壤中提取材料,進行3D打印建造。

                      雖然少年組的冠軍已經確定,但NASA表示,少年組的另外3個決賽項目也非常具有開發前景,它們分別是3D打印的生物反應器、水冷凝器和E-Z攪拌機。

                      太空旅行和探索的先鋒如今,隨著高新信息的廣泛普及,NASA的發展思路也在悄然發生變化。以此次“未來工程師挑戰賽”為例,他們正是借助了青少年學子的力量,不斷努力改進和改造未來3D打印機在宇宙中的使用技術。

                      NASA已然意識到集思廣益的重要性,從前幾年向社會公開征集太空車的命名方案,到如今熱忱歡迎學生們的頭腦風暴,這是一個極大的進步。2016年開展的首次3D打印產品競賽,讓許許多多的孩子體會到了其中的樂趣。

                      或許對于此次比賽的冠軍而言,從一個方案雛形,到讓自己的作品能夠在國際空間站的機載3D打印機上真正成功使用,這其中仍要經歷不少挑戰,面對不少困難,但通過這次挑戰賽的經歷,相信這些“未來工程師”會意識到,人人都有機會成為未來太空旅行與探索的先鋒,都有機會為人類的宇宙探索做出一些貢獻。

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