美國3D打印技術有望實現空間太陽能發電

美國3D打印技術有望實現空間太陽能發電

自20世紀70年代以來太空太陽能發電一直是人們的幻想，而現在3D打印技術的出現讓這種幻想更加接近現實。

美國Tethers Unlimited科技公司(TUI)已經從美國國家航空航天局(NASA)為其SpiderFab機器人打印機項目贏得了50萬美元的合同。據悉，SpiderFab概念項目的主要原理是利用3D打印和機器人組裝技術在太空完成制造天線、太陽電池板等大型設備的工作。TUI首席執行官兼首席科學家羅布·霍伊特(Rob Hoyt)在接受美國科技媒體采訪時表示：“顯而易見，SpiderFab是一個非常規的太空項目，但如果這一項目成功的話將為人類未來的許多太空任務提供巨大便利。”

的確，如果這一項目取得成功，將為人類未來太空計劃的運輸和生產環節提供兩大便利，并大幅降低運輸和生產成本。首先，這個項目可以允許人類將部分原材料通過較小型火箭的方式運輸至太空，這將有效節約太空運輸成本；第二，SpiderFab研發的太空自動機器人能利用纖維制品或聚合物等材料在太空中利用3D打印技術實時打印出所需要的太空零部件。當前，大型航天器構件均是在地面上建造完成，設計折疊在火箭保護罩中，之后在太空中部署展開。但是這種方法成本較高，并且建造構件的尺寸受限于保護罩的體積。霍伊特說：“SpiderFab可以制造至關重要的部件，作為緊湊和持久性裝置，例如纖維線軸或者聚合物塊，因此它能夠放置在較小、成本較低廉的運載火箭中。”剛剛完成的300千瓦軌道太陽能陣列設計分析證明，運輸緊湊型材料而不是笨重的成品有可能“減少90%的承載量和50%到80%的質量”。

霍伊特介紹：“我們的分析顯示，一旦進入太空，SpiderFab機器人制造系統就會對材料進行處理，打印、制造出適合太空環境的超大型結構。這種方法不同于傳統技術，因此能夠制造出大小是現在數十甚至數百倍的天線或天線陣列，從而提供適用于各類太空任務的大型設備。”3D打印機將打印出一個碳纖維桁架結構，作為發電系統的框架，這些架構將為“建造大型系統提供支撐，比如數百千瓦的太陽能陣列、大型太陽帆以及足球場大小的天線系統”。

TUI研發團隊正在為SpiderFab項目制定研發日程，其中就包括一個名為“Trusselator”的設備，這種設備可以在太空中制造出高性能的桁架結構，并為在太空實時打造大型太陽電池板提供支持。TUI正在研究的另一個子項目名為“Spinneret”，這是一種可以利用類似于3D打印的技術焊接起航天器的集群桁架。目前TUI已經開發了實驗室版本的桁架結構制造設備。

成本一直是影響太空太陽能電站發展的主要障礙。歷史上，美國在該領域數次折戟，都與預算太高有關。包括日本在內的多國科學家都在認真研究空間太陽能，但成本問題始終是阻礙這一技術向前發展并推廣至商用階段的障礙。3D打印機的出現或許能成為全球空間太陽能技術發展的拐點，讓空間太陽能商用成為可能。

成本并不是太空太陽能發電面臨的唯一挑戰。致力于太空太陽能發電研究的組織Solar High Study Group認為：“安全問題是除成本外最讓人擔心的地方。”將太空太陽能電力從軌道天線投遞到地面整流天線的微波傳輸將是“微波爐能量的200萬倍”。但是，前美國宇航局無線電力傳輸工程師理查德·迪金森透露傳輸的最大射頻強度“只是陽光的四分之一”。此外，如果地面站出現任何中斷，發射器會立即關閉。“飛機可以安全地穿過光束，測試已經證明即使是敏感的蜜蜂也不會受到影響。”戴維斯說。

“3D打印已經成為一個包羅萬象的事物，進化得如此之快以致成為可能做各種事情的多用途技術。”霍伊特說。

波音公司和美國通用電氣正在開發利用3D打印制造飛機部件的技術，小規模的應用開始進入制造商的供應鏈。

NASA方面表示，目前已對SpiderFab 3D機器人打印機提供了投資，預計再過3～5年就可以將其送入太空。