文摘
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,11人追随他的脚步。然而,宇航员并没有回到月球近50年。从那以后,科学家们谈到派人重返月球甚至火星。一些科学家想要在太空建立了永久殖民地以防耗尽地球上的资源。但是您如何构建地方生活和工作在一个地区没有建筑材料,设备,还是工作?一个有前途的解决方案可能是三维打印。
3 d打印的建筑是什么?
你可能听说过的三维(3 d)印刷,一种新的方式来制造我们每天使用的东西。3 d打印技术可用于制造玩具,食物,人体器官,和更多!3 d印制机挤出材料,如塑料、金属或木头层3 d对象。你知道3 d打印技术也被用来建造房屋、办公室、和其它建筑吗?这种方法的3 d打印的建筑是1998年发明的,但确实在过去5年增长。3 d打印的建筑混凝土等建筑材料挤压出来形成墙壁,组件,如梁、柱、甚至整个建筑。是没有限制的类型和形状结构,3 d印刷可以创建(图1)。
- 图1 - 3 d打印的建设在地球上的两个例子。
- (一)作者用一个具体的兵营小屋用于房子军队部署。兵营小屋的墙壁在< 3 d打印的48小时!(B)作者与刺猬的障碍,这是一个类型的车辆障碍,帮助安全、保护军事基地。正如你所看到的,3 d打印的建设可以用于各种各样的结构。
一些科学家想要在太空建立了永久殖民地和结构,以防耗尽地球上的资源。结构可能是有用的在太空中包括避难所,航天飞机机库,道路、着陆和发射台,爆炸保护墙(1]。人类在太空中花更多的时间,可能还需要更复杂的结构,包括研究实验室、车库、温室、和其他长期的建筑。
3 d打印技术在空间比传统建筑有两大优势。首先,建筑可以使用在太空中发现的材料印刷,压碎的岩石和灰尘。其次,3 d印刷要求很少或根本没有工人。这意味着殖民地可以准备宇航员进入他们甚至到达之前。
空间材料:月球岩石和更多
航天飞机和火箭的载货空间有限,不要太频繁地飞,所以发送物资进入太空是很昂贵的。事实上,它的成本高达100万美元每公斤送物资火星(2]!出于这个原因,建筑与空间材料可以节省数十亿美元。材料是三种常见的空间风化层,玄武岩,硫(图2)。科学家们正在研究技术来获取和处理这些材料用于建筑。
- 图2 -在太空中发现的材料。
- (一)风化层,压碎岩覆盖月球表面。(B)玄武岩,火成岩发现在月球上。(C)火星上的尘埃,其中包含称为硫的物质。
风化层的层压碎岩和尘埃产生的月球表面经过几个世纪的微小陨石罢工。这是最简单和最常见的材料用于3 d打印的建筑空间。玄武岩是一种火成岩,这意味着它是在熔岩流形成的。它占大约26%的月球近侧的表面。玄武岩抗拒来自太阳的辐射,可以用于构建加压结构。硫是一种材料常见的火星。有时用于混凝土更好地帮助其他成分粘在一起。
在太空中潜在的建筑材料很丰富。然而,钢筋的材料,如钢。在地球上,钢为建筑提供了额外的力量来帮助他们抵抗拉伸力,被称为张力或拉力。没有钢铁,混凝土结构裂缝和破裂。减少对钢铁的需求,建筑设计可以依靠压缩(3]。压缩是相反的张力。它发生在混凝土加载重量和压实(迫于负载)。拱门和圆顶compression-based设计的两个例子。
图3显示了一个钢筋混凝土梁可以体验压缩和紧张。梁是许多建筑物的一个基本部分,他们支持体重,如地板、屋顶、和人。因为月球的引力比地球上的重力83%弱,空间结构经历更少的拉伸和压缩力量。这允许工程师打印更轻、更瘦的结构,和使用更少的材料(3]。
- 图3 -重量产生的压缩和钢筋混凝土梁的紧张局势。
- 原梁(蓝色虚线)是直的。重量是应用于波束时,弯曲载荷下(蓝色实线)。梁的顶部缩短弯曲(压缩)。这是一件好事因为混凝土强在压缩。梁底部的延长和拉伸弯曲(紧张)。这是一个挑战,因为张力下混凝土较弱。然而,将钢筋杆底部的梁(灰色线)有助于控制张力。
打印机、建设的人类
3 d打印技术可用于构建在月球和火星上甚至在人类之前到来。提前构建有助于保证宇航员的安全当他们到达空间。例如,建筑物保护宇航员免受太阳辐射和空间碎片。加压建筑甚至可以让宇航员居住和工作的地方不需要他们的宇航服。
不像人类的工人,打印机不需要空气,水,和食物。这可以节省资金,使空间建设更加容易。同时,与人类不同的是,打印机不需要停下来休息。这意味着3 d打印技术可以更快地完成比正常施工。与人类相比,打印机也更可靠的和一致的。正确设定时,打印机减少错误,提高安全性,改善施工质量。更好的建设更少的错误意味着更少的时间和金钱花费修复第一次没有做正确的事情。
如何打印
2015年,美国国家航空航天局邀请团队来自世界各地3 d打印技术竞争。它被称为3 d打印的栖息地挑战,它给了250万美元的奖金。竞争发生在三个阶段。首先,每个团队提交设计最好的栖息地。接下来,团队开发材料打印与基于可用空间。最后,3 d打印他们的设计团队使用他们的材料。比赛的目标是改善美国国家航空航天局将建立结构空间。最后,有些想法是比其他人更成功。然而,每个想法帮助NASA明白可能会或可能不会在空间工作。例如,穹顶和泡沫的设计都很有希望。 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.
太空3 d打印一个可能的方法是一个方法调用轮廓设计。外形制作第一挤压材料层。然后,它使用内置的传播工具称为泥刀形状图层到光滑的表面。抹灰过程允许更高质量的完成结构。外形制作了NASA的利益三个主要原因。首先,它是一种最可靠,建立了3 d印刷方法在地球上。第二,它可以用来打印所需的结构安全、便宜。第三,轮廓风化层等材料制作与空间。
一个研究小组希望把轮廓制作与机器人系统称为运动员(4]。运动员代表全地形Hex-Limbed外星人探险家。运动员是“全地形”,因为它可以穿越凹凸不平的月球和行星的表面。“Hex-Limbed”是指运动员有六个胳膊。这些武器可以使用几个工具来导航和构建组件。最后,“外星人”一词意味着运动员是设计用于在太空中。它收集来自太阳的能量,并将其作为一种可再生能源的来源。这意味着它不需要插入或提供燃料。
期待
3 d打印技术在空间面临独特的挑战。很难打印在低重力环境1]。打印机需要内置冗余(额外的部分),以防东西断裂。如果问题出现,打印机必须易于修复。打印机必须足够耐用工作在极端温度,沙尘暴,月震1]。最后,如果打印机是无人驾驶的,他们需要能够从地球上被控制。这意味着他们必须能够运行和长距离通信,没有延迟3]。
现在,3 d打印的建设是在一个阶段称为证明-概念和验证1]。这意味着科学家仍在学习3 d打印技术能做什么,如果它将工作空间。3 d打印技术的发展,指导他们为未来设定一些目标。到2040年,科学家们想开始使用3 d打印的施工建造太空殖民地。到2065年,科学家们希望空间3 d印制技术将能够支持殖民地长期。最后,科学家们认为,到2115年,3 d打印的建设空间将完全独立于人类和地球的资源(5]!
同时,开发可靠的3 d打印方法空间有助于推进地球上的3 d打印。例如,在太空建立避难所教我们更好的方法来构建低成本、质量在地球上。想办法收集太空材料,我们可以改善我们地球上获取资源的方式。这支持更快,更便宜,更好的建设在地球和空间。简单地说,3 d打印的建设是离开这个世界!
术语表
风化层:↑破碎岩石和尘埃产生的月球表面经过几个世纪的微小陨石罢工。
玄武岩:↑一个火成岩一般在月球附近找到抵制来自太阳的辐射。
硫:↑材料通常发现在火星上,用于帮助混凝土混合物的成分粘在一起。
张力:↑束拉伸时的状态。
压缩:↑的状态下梁压和压实负荷。
3 d打印技术:↑生产或建设项目的过程和结构通过印刷在连续层。
轮廓设计:↑一个方法的3 d打印材料挤出层然后平滑机器人泥刀。
免责声明
本文的观点是作者的,并没有反映出官方政策或位置的美国空军,国防部、美国政府。
的利益冲突
作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。
引用
[1]↑穆勒,r . P。Sibille, L。,Hintze, P. E., Lippitt, T. C., Mantovani, J. G., Nugent, M. W., et al. 2014.添加剂建设使用玄武岩风化层罚款。网上:https://www.scopus.com/inward/record.uri?eid=2 s2.0 &doi=10.1061%2f9780784479179.042&partnerid=40&md5=e6a74f7a3e2d91b587222c4a1d49d302——84936748071
[2]↑豪,a S。,Wilcox, B., McQuin, C., Mittman, D., Townsend, J., Polit-Casillas, R., et al.模块化的添加剂建筑使用本地材料。网上:https://www.scopus.com/inward/record.uri?eid=2 s2.0 &doi=10.1061%2f9780784479179.034&partnerid=40&md5=09bf4e34736d6cc394505bd3f466ee62——84936803844
[3]↑Leach, N。,Carlson, A., Khoshnevis, B., and Thangavelu, M. 2012. Robotic construction by contour crafting: the case of lunar construction.Int。j . Archit。第一版。10:423-38。1478 - 0771.10.3.423 doi: 10.1260 /
[4]↑豪,s。,Wilcox, B. H., McQuin, C., Townsend, J., Rieber, R. R., Barmatz, M., et al. 2013. “Faxing structures to the moon: freeform additive construction system (FACS),” in AIAA SPACE 2013 Conference and Exposition (San Diego, CA: American Institute of Aeronautics and Astronautics). doi: 10.2514/6.2013-5437
[5]↑穆勒,r . P。豪,S。,Kochmann, D., Ali, H., Andersen, C., Burgoyne, H., et al. 2016.自动加建设(AAC)使用原位地球和太空的资源。网上:https://www.scopus.com/inward/record.uri?eid=2 s2.0 &doi=10.1061%2f9780784479971.036&partnerid=40&md5=c0311e7e39f28dca5d30dae283825e00——84995371337