3D打印的火星殖民狂想

桃寶

NASA（美國(guó)國(guó)家航空航天局）的研究人員嘗試模仿早期的美國(guó)殖民者在火星建立永久定居點(diǎn)。

菲利普·梅茨格是中佛羅里達(dá)大學(xué)的行星科學(xué)家和NASA沼澤工作實(shí)驗(yàn)室的聯(lián)合創(chuàng)始人，他對(duì)這一構(gòu)想表示認(rèn)同。你可能認(rèn)為他是癡人說夢(mèng)，或者更確切地說，他是在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。一直以來，他的實(shí)驗(yàn)室都圍繞將火星黏土填充到杯形蛋糕裝飾袋后擠壓成形這一工作開展，梅茨格自己也曾承認(rèn)，有時(shí)黏土擠壓后的形狀看起來就像一坨“動(dòng)物糞便”。

然而，這種用火星黏土填充的蛋糕杯形可是在火星上運(yùn)用3D打印技術(shù)的原型設(shè)計(jì)。 3D打印技術(shù)可以為這支火星探險(xiǎn)團(tuán)隊(duì)解決他們所面臨的最大障礙，即將人類生存所需物資運(yùn)輸至火星所要面臨的巨大成本開銷。

科學(xué)家們想象中的火星生活

減少?gòu)牡厍虻交鹦堑倪\(yùn)載量

這是一個(gè)涉及運(yùn)載量多少的問題。運(yùn)載量越大，擺脫地球引力到達(dá)火星所需的資金也就越多。而其中最重的是一些必需設(shè)備，用以保護(hù)宇航員免受火星上強(qiáng)烈的輻射傷害——火星大氣層非常稀薄。運(yùn)用3D打印技術(shù)則無需運(yùn)輸防輻射設(shè)備，因?yàn)槔没鹦巧系哪嗤粱虮憧沙晒χ谱鞒鏊璺雷o(hù)物。

NASA全員正在積極研發(fā)利用3D打印技術(shù)。去年，它給第一屆3D打印火星棲息地設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)賽的獲獎(jiǎng)?wù)哳C發(fā)了獎(jiǎng)勵(lì)，而且所有獲獎(jiǎng)作品的建筑物極富時(shí)尚感和未來主義色彩。而實(shí)際上，目前殖民火星所采用的3D打印技術(shù)水平更多的就是梅茨格在社交媒體上發(fā)布的黏土日志中所描述的這種程度。

3D打印技術(shù)看起來技術(shù)含量不高，但實(shí)屬有意而為。梅茨格解釋道：“我們正在重新思考如何從世界不發(fā)達(dá)地區(qū)獲取靈感來發(fā)展太空技術(shù)。”其邏輯如下：如果火星上的綜合設(shè)備閥門破裂，宇航員根本無法上網(wǎng)要求更換并指定第二天送達(dá)。因此，梅茨格的想法是從易到難逐步提高技術(shù)能力：從黏土到金屬再到塑料最后到電子設(shè)備。最后，可以在火星上利用3D打印建造煉油廠和工廠，制造復(fù)雜機(jī)器。這種“自力更生”的設(shè)想，是梅茨格的太空探索愿景。

用黏土自力更生

若你懷疑人類的聰明才智和毅力，那么可以花幾分鐘觀看下YouTube上關(guān)于原始技術(shù)的相關(guān)視頻。每個(gè)視頻中都會(huì)出現(xiàn)一個(gè)身穿短褲沉默不語(yǔ)的無名男子，他空手只身跋涉前往澳大利亞內(nèi)陸。在那里，他挖出一些黏土，將之做成鍋狀，然后用火燒制。隨后他帶著燒制好的土鍋到之前的黏土坑，用鍋盛放更多黏土，并收集足夠的材料建造燒窯。之后他又挖出更多黏土，制作瓷磚，并將之放于窯中燒制。最終，幾周過后，他建造出了一間瓷磚小屋，四壁泥墻，且配備有地下采暖系統(tǒng)。

這當(dāng)中每個(gè)步驟都緩慢得不起眼，但累積起來，卻建造出了一間瓷磚小屋！而且僅僅只靠雙手——這太了不起了。這是一個(gè)人自力更生的故事。

2011年NASA有一篇關(guān)于太空探索的文章寫道，美國(guó)殖民者最初也是全然依靠自己建設(shè)家園。他們帶著幾把工具來到這里，在新英格蘭極度惡劣殘酷的環(huán)境下自力更生，定居生活。簡(jiǎn)單的工具又生產(chǎn)出了更復(fù)雜的工具，而隨著時(shí)間的推移，他們?cè)诒泵澜⑵鹆嗽齑瑥S和港口，使之成為了貿(mào)易大國(guó)。“與殖民地美國(guó)一樣，火星殖民計(jì)劃發(fā)展過程也會(huì)極為緩慢，但有條不紊。這需要多年的發(fā)展，但終會(huì)出現(xiàn)一種永久性的基礎(chǔ)設(shè)施，改變?nèi)祟愄剿骱桶l(fā)展太空的方式。”

在太空——其環(huán)境惡劣程度連“嚴(yán)酷”也不足以形容——“自力更生”的設(shè)想可能開始要依賴于更復(fù)雜的技術(shù)：機(jī)器人。 相比于人類，機(jī)器人更容易被運(yùn)送上太空，因?yàn)檠鯕狻⑹澄锖退谇罢卟豢苫蛉薄５沁@些機(jī)器人，就像那位在澳大利亞內(nèi)陸的男人，將從一些極其簡(jiǎn)單的任務(wù)開始作業(yè)，如挖土。 而只要足夠嫻熟地運(yùn)用3D打印技術(shù)，最后泥土也可以制成道路、防爆墻或防護(hù)物。

模擬火星環(huán)境的實(shí)驗(yàn)

當(dāng)意識(shí)到火星可能與地球有著相同的黏土礦物時(shí)，梅茨格開始興致盎然（小行星亦然，可用作行星際旅行的倉(cāng)庫(kù)。）當(dāng)然，目前還沒有任何人或物體將火星黏土帶回到地球上，但數(shù)十年來，火星黏土礦物的化學(xué)名稱早已被火星車及其探測(cè)器收錄使用。

因此，為了試驗(yàn)3D打印黏土是否能在火星上工作，梅茨格必須弄清楚如何在地球上模擬火星黏土。幸好，化學(xué)和物理在規(guī)律上有著異曲同工之妙。“火星表面發(fā)生化學(xué)作用，會(huì)產(chǎn)生一些可預(yù)測(cè)的反應(yīng)物，如黏土和硫化物。”中佛羅里達(dá)大學(xué)的合作者和地質(zhì)學(xué)家丹尼爾·布里特說道，“地球上也存在這樣的環(huán)境。”該團(tuán)隊(duì)打電話到多個(gè)國(guó)家地質(zhì)學(xué)家的辦公室，找到了有著不同種類黏土礦物的黏土，以“模擬”火星環(huán)境。

有了火星模擬環(huán)境，梅茨格的團(tuán)隊(duì)嘗試在真空室中進(jìn)行試驗(yàn)，以模擬火星稀薄大氣層的條件。黏土干燥時(shí)會(huì)收縮，體積變小。在火星的稀薄大氣層中，黏土干燥速度會(huì)加快，這意味著火星模擬物會(huì)萎縮成結(jié)構(gòu)完整性不足的形狀。

梅茨格指出，這種情況在地球上也存在，盡管收縮程度較小，不過對(duì)此人類已經(jīng)有了解決方案。我們通常不會(huì)用大塊的黏土建造墻壁。相反，我們制作磚塊，將之燒制，然后用漿料將它們堆疊起來。“我們正在尋找其他方法來處理黏土收縮的問題，” 梅茨格說道，“我們不需要復(fù)雜的灌漿過程。”這可能意味著要添加柔軟的黏糊材料來處理收縮問題——在地球上，這種材料通常是稻草;而在火星上，則可以用回收的宇宙飛船材料代替。再次強(qiáng)調(diào)，關(guān)鍵在于簡(jiǎn)易可行——所需機(jī)器種類越少，可能斷裂的部件就會(huì)越少，在火星上建立起定居點(diǎn)也就更容易。

按照梅茨格的說法，這是項(xiàng)早期初級(jí)階段的工作，與使用杯形蛋糕裝飾袋擠壓出黏土形狀的階段相當(dāng)，更早于運(yùn)用3D打印技術(shù)的早期階段。這個(gè)快速且成本低廉的原型設(shè)計(jì)源自NASA沼澤工程實(shí)驗(yàn)室的理念。梅茨格是該實(shí)驗(yàn)室的創(chuàng)始人之一，盡管他現(xiàn)在已從航天局退休，在中佛羅里達(dá)大學(xué)執(zhí)教，但仍與實(shí)驗(yàn)室保持合作關(guān)系。

另一個(gè)問題是黏土需要水，而水在火星上會(huì)凍結(jié)成冰。南加州大學(xué)的古絲內(nèi)維斯提出了一種在火星上無需用水的3D打印方法。“我們可以在火星上就地取材，即儲(chǔ)量豐富的硫磺。”古絲內(nèi)維斯說道。他建議使用硫磺作為混凝土中的粘合劑;問題在于需要的是液態(tài)硫磺（熔點(diǎn)239°F），并且需要通過太陽(yáng)能電池板提供大量能量。

無論最后采取哪種方法在火星建立定居點(diǎn)，“自力更生”的設(shè)想不僅僅是探索太空那么簡(jiǎn)單，它其實(shí)是殖民太空的隱晦表達(dá)。阿波羅到月球的任務(wù)只是“繞月飛行”——進(jìn)出船艙活動(dòng)，所需一切都在宇宙飛船上。如果人類真的要在太空建立殖民地或礦場(chǎng)——這是梅茨格的夙愿——“自力更生”的設(shè)想則為此提供了技術(shù)藍(lán)圖。畢竟，這會(huì)是地球上技術(shù)發(fā)展的一大推動(dòng)力。