在太空中使用月球尘土进行3D打印是在火星上建造未来之家的秘诀
许多科幻空间探索概念都设想宇航员在星球表面上进行实验，然后返回一个主要由把他们送到那里的飞船组成的小型基地。
但对于距离更长的任务，如果它们真的成行的话，将需要更为广泛的基础设施：栖息地、发射台和着陆垫、防爆墙、流星护盾、低温燃料和氧化剂的储存，以及其他设施。
人类到火星上去的一项使命就是让宇航员在火星表面建造的建筑结构中生活和工作。那么这些结构是由什么物质组成的呢？因为能够从地球上带来的材料非常有限，所有火星探险家必须学会使用在火星上发现的物质来制造物品。要是跟将一飞船工作人员带到火星上相比，这似乎是一件并不太难的任务，但它包含了一系列的复杂问题。NASA 的科学家和工程师正在该机构的粒状力学和风化作业实验室（GMRO）积极钻研解决这些难题的方法。该实验室位于佛罗里达州卡纳维拉尔的肯尼迪航天中心。
在 GMRO 实验室（也称为沼泽工程）工作的 NASA 的研究工程师 Nathan Gelino 说，外星建筑物的建造可能会通过使用大型3D打印机的增材制造来完成。增材制造已经成为地球上经过验证的甚至是常规的制造过程。但离开地球它就会给工程带来挑战，这不仅仅是因为宇航员需要将外来土壤用作建筑材料，更重要的是，小行星经常撞击诸如卫星之类的岩石体，从而产生细小的碎片，而这些碎片在行星表面上时而漂浮时而又坠落。经过几千年的运化，这里形成了一层很深的碎石，科学家称之为风化石。
风化石不同于沙子。在地球上，沙子要经受持续不断的风吹雨淋和潮汐作用，而这些作用就会把细小的颗粒侵蚀成更圆的形状。然而在月球上这些力量并不存在，因此风化石的颗粒非常锋利，就像微小的玻璃碎片一样。GMRO 实验室的科学家期望火星上的玄武岩风化石具有与月球上的玄武岩风化石类似的矿物特性，因此尽管他们确实在保险箱中藏着一些真实的来自月球的风化石，但他们还是使用来自地球的模拟物进行试验。“那些样本太珍贵了，”Gelino 说，“不到迫不得已是不会使用那些材料的。”
操作这种材料还是有点危险的。跟任何细粒岩粉一样，它对呼吸道也会产生危害；风化石可能导致肺癌，就像石棉一样。“黑点1型物质”（BP-1）是沥青生产过程中的一种废弃物，是 GMRO 实验室使用的月球风化石的模拟物。它含有二氧化硅，需要有保护呼吸的设备，因此矽肺病是研究人员担心的一个问题。
“太空中更直接的问题是磨损，”Gelino 说，“由于小颗粒像玻璃碎片，它们很容易带静电，很容易就会飘起来。如果你看一下执行阿波罗使命的照片就会发现，宇航员在月球表面行走，很多图片中的宇航员身上都沾满了灰尘。带电粒子紧紧地附着在物体的表面，包括宇航员的服装和手套上。你可以想象宇航员西装的褶皱里装满了数不清的小尖刀。这种磨损可以快速磨坏物体的外层。阿波罗宇航员发现，这种力量大大缩短了他们的服装（尤其是手套）的寿命。”
如果纤维织物是个问题，很明显机器也会成为一个问题。“工程师们必须小心翼翼地不让风化石碰到旋转接头或滑动表面上去，” Gelino 的同事 Brad Buckles说，“ 磨损一直是一个我们使用3D打印机时碰到的令人头疼的问题。当材料被系统挤出时，进料螺杆和料筒还有喷嘴的表面都变得非常粗糙。”
Buckles 说，除此之外，“与其他增材制造材料相比，风化石的表现很特别”，它不会像放在沙漏里的沙子那样流动，而是倾向于架桥、包装、堵塞，甚至“变成老鼠洞”。NASA 的工程师已经开发出了各种技巧来实现使用风化石进行3D打印所需的流程。无论如何，这些工程师坚持认为，利用风化石进行增材制造是完全可行的。但是，在地球之外的地方建设基础设施需要重新考虑基础设施本身。
“ 在地球上，一切物体都非常沉重，”Gelino 说，“我们使用钢和混凝土，这些材料的重量都是以吨为单位的。如果你想将40袋混凝土送到月球上，那么它们注定将成为历史上最昂贵的40袋混凝土。我们的火箭的有效载荷能力是有限的。”
因此，NASA 必须专注于“ 对现场资源的利用”，使行星探险者在离开陆地后照样可以生活。离开地球，NASA 的工程师将每一堆废物都视为宝贵的资源，它们是产生出水的氢和氧的潜在原料 — 或者制造出以铁和硅为基础的源元素。Gelino 说：“当你习惯于以那种方式来看待事物时，你会发现你可以用一堆你在地球上永远不会想到的风化石来做的事情。”
对于曾经制作过沙堡或使用过混凝土的人来说，关于在太空中将3D打印用于建筑的一个明显问题是：这个过程不需要水吗？
Gelino 给出的答案是，既需要，也不需要。对于某些混凝土来说，水是必要的，但有幸的是，地球之外的水资源并不像人们普遍认为的那么稀少。火星和月球的深坑的阴影中都有可采集的水冰，而且水可以通过对氢和氧的化合来获得，而这两种元素都大量存在于含水的火星风化矿石之中。
Gelino 补充道，其他混凝土可以在没有水的情况下制造。“我们在增材制造实验中使用的材料是与废弃的聚合物混合在一起的风化石，”Gelino 说，“你可以从宇航员的垃圾和运输容器中得到聚合物，甚至可以合成聚合物。你可以把它用作风化石的粘合剂，如果相对降低聚合物与风化石的比例，还可以制造出与压缩后的硅酸盐水泥非常相似的建筑材料，而且抗拉强度要高出20倍。”
NASA 的工程师也将风化石烧制成各种铺路材料或砖块。Gelino 说，这个过程是在高温下对材料进行模塑；最终产品具有像砂岩一样的稳定性。所需的热量（大约1200摄氏度）需要大量的能量，Gelino 认为这是一种限制条件，但也不是不可逾越的鸿沟。
输送火箭的载荷能力将决定可以发送到月球或火星上去的建筑设备的规模。Gelino 团队正在使用的3D打印机包括一台安装在工业机器人手臂上的挤出机，能够制造出一个6英尺高、大约8英尺宽的物体结构。这只是一个验证概念的系统；为飞行准备就绪的解决方案需要更轻便、适合在极冷条件下运作、暴露在辐射之下和真空中等条件。
Gelino 说，最理想的方法是，增材制造过程完全通过机器人来完成。在宇航员到达之前，甚至可以先将打印机发送到目的地去，让机器人来构建所需要的基础设施。
NASA 对新兴技术进行一种被称为“技术就绪等级”（TRL）的评估（从0到9），以此来衡量某项创新技术为应用已经准备就绪到了何种程度。一种被标为 TRL 1 的创新技术只是一种基本原理或尚未实现的概念，而“ TRL 9 技术则表示已准备就绪，”格利诺解释说，“GMRO 实验室通常致力于 TRL 1至5级的创新，这些新概念可以改变我们对事物的思维方式。”
Gelino 将地球之外的增材制造置于 TRL 2至3的级别。“我们已经证明这是一个可行的概念，现在我们正在努力实现这个概念并对它进行升级，”他说，“我们需要更明确地了解风化石及其性能，特别是它作为建筑材料的承重能力和强度。”