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NASA資助Contour Crafting的月球3D打印建造技術(shù)

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2022年6月26日，作為2022年小型企業(yè)創(chuàng)新研究(SBIR)和小型企業(yè)技術(shù)轉(zhuǎn)讓 (STTR) 計(jì)劃的一部分， NASA正在資助 20 多項(xiàng)與 3D 打印相關(guān)的提案。其中一個(gè)項(xiàng)目由南加州大學(xué)(USC) 的衍生公司Contour Crafting 提出，這是一家致力于開(kāi)發(fā)顛覆性建筑技術(shù)初創(chuàng)公司。該公司希望通過(guò)NASA的STTR計(jì)劃，調(diào)整其新型材料運(yùn)輸系統(tǒng)，以期在月球表面運(yùn)輸風(fēng)化層和巖石等建筑材料。

這個(gè)新系統(tǒng)被描述為Contour Crafting公司CrafTram技術(shù)的一個(gè)特殊版本，預(yù)計(jì)它可以自主地移動(dòng)月球上的石料，所使用的能源只是傳統(tǒng)裝載機(jī)或卡車(chē)的一小部分，并且這些常規(guī)運(yùn)輸機(jī)器只能空車(chē)回程。相反，CrafTram 將消除這種對(duì)往返運(yùn)輸車(chē)輛的需要。到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)后，該平臺(tái)可以以最小的磨損平穩(wěn)運(yùn)行，不受沙地或巖石地形的影響，并且可以在不同的高度（包括陡峭的上坡或下坡道路）之間運(yùn)輸材料。

對(duì)于 CrafTram，ContourCrafting 將與南加州大學(xué)維特比工程學(xué)院(VSOE) 展開(kāi)合作，展示這種用于月球表面場(chǎng)地準(zhǔn)備的自動(dòng)化技術(shù)如何幫助 NASA 開(kāi)展其風(fēng)化層工作活動(dòng)，包括建造發(fā)射和著陸區(qū)、硬化著陸墊、改善通行路徑和輻射屏蔽結(jié)構(gòu)。

月球基地材料

盡管我們對(duì)3D 打印技術(shù)在月球和其他行星上實(shí)施的可能性了解不多，但專家們知道，地球外的建筑結(jié)構(gòu)將與我們成長(zhǎng)過(guò)程中的任何傳統(tǒng)建筑大不相同。幾年來(lái)，風(fēng)化層被認(rèn)為是月球和火星上打印結(jié)構(gòu)的潛在主要建筑材料，主要是因?yàn)樗馁Y源豐富性。已經(jīng)有幾項(xiàng)提議要通過(guò)挖掘和獲取月球風(fēng)化層材料以進(jìn)行建設(shè)，因此創(chuàng)造運(yùn)輸這種材料的技術(shù)似乎是在月球殖民競(jìng)賽中的下一個(gè)基本步驟。

土方設(shè)備等傳統(tǒng)解決方案消耗大量能源，并且必須空載單向行駛。此外，它們的體積使得將機(jī)器運(yùn)送到月球表面非常昂貴。這就是為什么 Contour Crafting 提出的特殊 CrafTram 具有多種可能性的原因。首先，它是一個(gè)超輕量級(jí)的概念，可折疊成一個(gè)小的空間信封，便于運(yùn)輸?shù)皆虑虮砻?。一旦到了那里，它就可以自我轉(zhuǎn)變?yōu)樗牟渴鹦问?，以便在行星建筑工地進(jìn)行自主操作。

△Contour Crafting 的增材施工技術(shù)。Contour Crafting 使用的精密擠壓技術(shù)。圖片由 Contour Crafting 提供。

但是，著手開(kāi)發(fā)用于殖民地球月球及其他地區(qū)的技術(shù)并非易事。ContourCrafting 將為這個(gè)新項(xiàng)目設(shè)計(jì) CrafTram 系統(tǒng)，并創(chuàng)建一個(gè) TRL（技術(shù)準(zhǔn)備水平）4級(jí)功能的1/3比例原型。研究層面的擬議工作還包括分析和設(shè)計(jì)一個(gè)稱為護(hù)堤的示范結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)保護(hù)著陸墊周?chē)沫h(huán)境免受宇宙飛船起飛或著陸產(chǎn)生的爆炸飛濺物的影響。

根據(jù)提案，護(hù)堤的分析和設(shè)計(jì)將由南加州大學(xué) VSOE 教授 Lucio Soibelman 的結(jié)構(gòu)和材料研究實(shí)驗(yàn)室(SMRL) 完成。在第一階段結(jié)束時(shí)，Contour Crafting 和 SMRL 都將展示 CrafTram 概念的縮小版本，運(yùn)輸材料并用風(fēng)化層模擬材料建造 ? 規(guī)模的月球護(hù)堤結(jié)構(gòu)。

這項(xiàng)合作努力的目標(biāo)與 NASA 的Artemis 任務(wù)直接一致，該任務(wù)旨在在接下來(lái)的幾十年中建立第一個(gè)月球基地和月球商業(yè)圈。然而，在此應(yīng)用之外，CrafTram技術(shù)可以作為通用材料運(yùn)輸系統(tǒng)，用于其他登月任務(wù)，以及未來(lái)的火星任務(wù)。

△月球建造過(guò)程概念圖

建筑增材制造的歷史

Contour Crafting 由南加州大學(xué) VSOE 教授 Behrokh Khoshnevis 創(chuàng)立，標(biāo)志著二十多年前建筑 3D 打印的開(kāi)始。借助Khoshnevis 開(kāi)創(chuàng)性的建筑規(guī)模 3D 打印理念，這家初創(chuàng)公司以開(kāi)發(fā)大規(guī)模 3D 打印技術(shù)而聞名，其中包括旗艦產(chǎn)品 CrafTrans，這是一種可變形且可快速部署的建筑 3D 打印機(jī)。Khoshnevis 是NASA 創(chuàng)新先進(jìn)概念(NIAC) 研究員，自 2004 年以來(lái)一直在該機(jī)構(gòu)的支持下開(kāi)發(fā)行星建造技術(shù)。他在這些研發(fā)工作中取得的成就為他贏得了 2014 年和 2016 年在NASA 贊助的國(guó)際比賽中的兩項(xiàng)大獎(jiǎng)。其中一項(xiàng)認(rèn)可是一項(xiàng)可以利用當(dāng)?shù)匦行遣牧显谠虑蚝突鹦巧辖ㄔ旖Y(jié)構(gòu)的技術(shù)，該技術(shù)使用一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)用于自主建造著陸場(chǎng)和道路，以及制造聯(lián)鎖磚和其他物體，如金屬工具和備件.

事實(shí)上，Contour Crafting 獲得 NASA 資助的最新項(xiàng)目提案可能是利用了過(guò)去屢獲殊榮的技術(shù)和就地資源利用的大部分。如果成功，CrafTram 可以進(jìn)入第二階段資金以開(kāi)發(fā)規(guī)模原型以及其他后續(xù) SBIR/STTR 后第二階段的機(jī)會(huì)。作為 NASA 2022 年 SBIR和 STTR 獲獎(jiǎng)提案的一部分，ContourCrafting 并不是唯一一家提交月球建造技術(shù)的公司。其他選定的項(xiàng)目包括由Astroport和德克薩斯大學(xué)圣安東尼奧分校開(kāi)發(fā)的用于建造月球發(fā)射和著陸臺(tái)的 BrickLayer 系統(tǒng)，以及 Cislune 提出的一套用于提取和處理用于建筑結(jié)構(gòu)的風(fēng)化層的技術(shù)。在接下來(lái)的十年中，我們預(yù)計(jì)其中一些技術(shù)將會(huì)成熟，以便它們可以在地球以外的條件下運(yùn)行，尤其是在阿爾忒彌斯登月任務(wù)開(kāi)始后。