美國(guó)3D打印技術(shù)有望實(shí)現(xiàn)空間太陽(yáng)能發(fā)電

自20世紀(jì)70年代以來太空太陽(yáng)能發(fā)電一直是人們的幻想，而現(xiàn)在3D打印技術(shù)的出現(xiàn)讓這種幻想更加接近現(xiàn)實(shí)。

美國(guó)Tethers Unlimited科技公司(TUI)已經(jīng)從美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)為其SpiderFab機(jī)器人打印機(jī)項(xiàng)目贏得了50萬(wàn)美元的合同。據(jù)悉，SpiderFab概念項(xiàng)目的主要原理是利用3D打印和機(jī)器人組裝技術(shù)在太空完成制造天線、太陽(yáng)電池板等大型設(shè)備的工作。TUI首席執(zhí)行官兼首席科學(xué)家羅布·霍伊特(Rob Hoyt)在接受美國(guó)科技媒體采訪時(shí)表示：“顯而易見，SpiderFab是一個(gè)非常規(guī)的太空項(xiàng)目，但如果這一項(xiàng)目成功的話將為人類未來的許多太空任務(wù)提供巨大便利?！?/p>

的確，如果這一項(xiàng)目取得成功，將為人類未來太空計(jì)劃的運(yùn)輸和生產(chǎn)環(huán)節(jié)提供兩大便利，并大幅降低運(yùn)輸和生產(chǎn)成本。首先，這個(gè)項(xiàng)目可以允許人類將部分原材料通過較小型火箭的方式運(yùn)輸至太空，這將有效節(jié)約太空運(yùn)輸成本；第二，SpiderFab研發(fā)的太空自動(dòng)機(jī)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(shù)實(shí)時(shí)打印出所需要的太空零部件。當(dāng)前，大型航天器構(gòu)件均是在地面上建造完成，設(shè)計(jì)折疊在火箭保護(hù)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(gòu)件的尺寸受限于保護(hù)罩的體積?；粢撂卣f：“SpiderFab可以制造至關(guān)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(yùn)載火箭中。”剛剛完成的300千瓦軌道太陽(yáng)能陣列設(shè)計(jì)分析證明，運(yùn)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(zhì)量”。

霍伊特介紹：“我們的分析顯示，一旦進(jìn)入太空，SpiderFab機(jī)器人制造系統(tǒng)就會(huì)對(duì)材料進(jìn)行處理，打印、制造出適合太空環(huán)境的超大型結(jié)構(gòu)。這種方法不同于傳統(tǒng)技術(shù)，因此能夠制造出大小是現(xiàn)在數(shù)十甚至數(shù)百倍的天線或天線陣列，從而提供適用于各類太空任務(wù)的大型設(shè)備。”3D打印機(jī)將打印出一個(gè)碳纖維桁架結(jié)構(gòu)，作為發(fā)電系統(tǒng)的框架，這些架構(gòu)將為“建造大型系統(tǒng)提供支撐，比如數(shù)百千瓦的太陽(yáng)能陣列、大型太陽(yáng)帆以及足球場(chǎng)大小的天線系統(tǒng)”。

TUI研發(fā)團(tuán)隊(duì)正在為SpiderFab項(xiàng)目制定研發(fā)日程，其中就包括一個(gè)名為“Trusselator”的設(shè)備，這種設(shè)備可以在太空中制造出高性能的桁架結(jié)構(gòu)，并為在太空實(shí)時(shí)打造大型太陽(yáng)電池板提供支持。TUI正在研究的另一個(gè)子項(xiàng)目名為“Spinneret”，這是一種可以利用類似于3D打印的技術(shù)焊接起航天器的集群桁架。目前TUI已經(jīng)開發(fā)了實(shí)驗(yàn)室版本的桁架結(jié)構(gòu)制造設(shè)備。

成本一直是影響太空太陽(yáng)能電站發(fā)展的主要障礙。歷史上，美國(guó)在該領(lǐng)域數(shù)次折戟，都與預(yù)算太高有關(guān)。包括日本在內(nèi)的多國(guó)科學(xué)家都在認(rèn)真研究空間太陽(yáng)能，但成本問題始終是阻礙這一技術(shù)向前發(fā)展并推廣至商用階段的障礙。3D打印機(jī)的出現(xiàn)或許能成為全球空間太陽(yáng)能技術(shù)發(fā)展的拐點(diǎn)，讓空間太陽(yáng)能商用成為可能。

成本并不是太空太陽(yáng)能發(fā)電面臨的唯一挑戰(zhàn)。致力于太空太陽(yáng)能發(fā)電研究的組織Solar High Study Group認(rèn)為：“安全問題是除成本外最讓人擔(dān)心的地方?！睂⑻仗?yáng)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(wàn)倍”。但是，前美國(guó)宇航局無(wú)線電力傳輸工程師理查德·迪金森透露傳輸?shù)淖畲笊漕l強(qiáng)度“只是陽(yáng)光的四分之一”。此外，如果地面站出現(xiàn)任何中斷，發(fā)射器會(huì)立即關(guān)閉。“飛機(jī)可以安全地穿過光束，測(cè)試已經(jīng)證明即使是敏感的蜜蜂也不會(huì)受到影響?！贝骶S斯說。

“3D打印已經(jīng)成為一個(gè)包羅萬(wàn)象的事物，進(jìn)化得如此之快以致成為可能做各種事情的多用途技術(shù)。”霍伊特說。

波音公司和美國(guó)通用電氣正在開發(fā)利用3D打印制造飛機(jī)部件的技術(shù)，小規(guī)模的應(yīng)用開始進(jìn)入制造商的供應(yīng)鏈。

NASA方面表示，目前已對(duì)SpiderFab 3D機(jī)器人打印機(jī)提供了投資，預(yù)計(jì)再過3～5年就可以將其送入太空。