航空航天
激光和 3D 打印将如何构建我们的太空未来
过去几十年，太空探索取得了长足进步，我们的雄心也随之增长。如今，我们不再仅仅局限于访问遥远的星球，而是希望在那里安居乐业。为此，我们正在积极探索建造能够支持未来太空殖民和星际旅行的设施。
然而，在地球外建造建筑与在地球上建造建筑并不相同。太空建设面临着严峻的挑战。
例如，剧烈的温度波动会损害我们在地球上使用的建筑材料的完整性。此外，还有微重力、太空真空、辐射、水和传统骨料等资源的稀缺，以及在轨道或地外表面发射和组装部件的物流。
所有这些都带来了挑战，需要重新思考太空建造的材料和方法。
太空混凝土、微波烧结、激光烧结、热固性材料和风化层熔化/成型等进步是解决恶劣环境条件和资源稀缺问题的一些方法。
3D打印技术 这是另一项关键创新，展现出在太空建造复杂栖息地和结构的巨大潜力。它具有精度高、效率高、快速凝固、稳定性好、废物最小化等优势。
该技术可以利用月球和火星土壤等当地材料来建造耐用的基础设施，从而减少从地球运输所有材料的需要。
另一项发挥重要作用的创新是自动化机器人。它们能够在恶劣环境下建造混凝土结构，取代人工劳动。它们具备实时监控能力，确保建筑质量和长期居住的安全。
因此， 太空探索和殖民 正在迅速发展，在此过程中，研究人员现在已经找到了一种建造真正大型结构以实现可持续太空运营的方法。
NOM4D之旅：基于激光的空间制造
佛罗里达大学 (UF) 的工程师团队正在 致力于制造精密金属结构1 在激光技术的帮助下进入轨道。
这个想法是利用先进的激光技术专门建造大型结构，例如在轨道上建造一个 100 米的太阳能电池阵列。
除了太阳能电池板之外，该团队还希望看到大型结构，如太空望远镜、卫星天线，甚至是直接在轨道上建造的空间站部分，这将标志着向更长的任务和可持续的太空行动迈出的重要一步。
佛罗里达大学赫伯特沃特海姆工程学院材料科学与工程系副教授维多利亚米勒博士表示：
我们想在太空建造大型物体。要想在太空建造大型物体，就必须先在太空制造。这是一个令人兴奋的新领域。
为了开展研究，佛罗里达大学已获得美国国防部高级研究计划局（DARPA）1.1万美元的合同。虽然其他大学也在探索太空制造，但佛罗里达大学是唯一一家专注于太空应用激光成形的大学。
为此，米勒和她的学生正在与美国国防高级研究计划局（DARPA）和美国国家航空航天局的马歇尔太空飞行中心合作，通过其运载火箭、空间系统、推进系统和硬件、最先进的工程技术以及尖端科学和研究项目帮助推进美国的太空计划。
因此，他们共同开展了一个名为 NOM4D 的项目，即新型轨道和月球制造、材料和质量高效设计，旨在改变太空基础设施的发展。
对于NOM4D来说，最大的挑战之一是突破火箭货物尺寸和重量的限制。为了解决这些问题，佛罗里达大学团队正在开发激光成型技术，通过在金属上描绘精确的图案来弯曲金属形状。
如果操作准确，激光产生的热量会扭曲金属本身，无需人工干预，这将成为实现轨道制造的关键一步。团队成员、材料科学与工程专业三年级博士生内森·弗里普 (Nathan Fripp) 表示：
有了这项技术，我们可以在太空中建造各种结构，比从地球上发射组装好的结构效率高得多。这为太空探索、卫星系统，甚至未来的居住地开辟了广泛的新可能性。
正确地、根据需要改变金属的形状是一个复杂的过程，因此复杂的激光弯曲无疑是一项伟大的成就，但它只是其中的一部分。
米勒指出，挑战在于确保材料的性能在加工过程中保持良好或有所提升。弯曲区域仍然需要具备良好的性能，同时还要坚韧、坚固，并具有适当的柔韧性。
为了评估材料，研究小组对不锈钢、铝和陶瓷进行了控制测试，以分析热量、重力和激光输入等变量如何影响材料的弯曲和行为。
我们进行了多项受控测试，收集了不同金属对激光能量反应的详细数据：它们的弯曲程度、升温程度、热量对它们的影响等等。我们还开发了模型，根据材料特性和激光能量输入来预测温度和弯曲程度。我们不断从建模和实验中学习，以加深对这一工艺的理解。
– 卫
据 UF 新闻稿其中一项评估涉及在类似太空的条件下测试激光成形，这需要一个热真空室。该真空室由NASA提供，因此与NASA马歇尔航天中心的合作对于显著提高技术就绪水平（TRL）至关重要。
这项测试由弗里普领导，旨在观察材料对太空恶劣环境的反应。研究团队发现，包括材料特性、激光参数和大气条件在内的一系列因素都会决定最终结果。
在太空中，极端温度、微重力和真空等条件会进一步改变材料的行为。因此，调整我们的成型技术使其在太空中可靠、一致地工作又增加了一层复杂性。
– 弗里普
佛罗里达大学的研究始于2021年，迄今已取得诸多进展。但要使这项技术真正应用于太空，仍需进一步开发。目前，该项目已进入最后阶段，预计将于2026年夏季完工。
尽管该项目的各个方面仍存在疑问，特别是在激光成型过程中如何保持材料完整性，但团队对每次模拟和激光测试都持乐观态度，因为该项目距离新建筑时代又近了一步。
“能够加入这个团队并不断突破制造业的极限真是太棒了，不仅仅是在地球上，而是在更广阔的世界。”
– 魏
外星栖息地的环保建筑材料
在探索地外建造的过程中，科学家们尝试了不同的途径，包括利用其他星球上的可用资源。
最近，德克萨斯农工大学的科学家与内布拉斯加大学林肯分校的研究人员合作，开发出一种能够将火星尘埃转化为建筑结构的活性材料，从而能够在这颗红色星球上自主建造房屋。此类创新对于实现火星殖民目标至关重要。
该团队多年来一直在探索通过生物制造创造工程生物材料的方法，最终他们创建了一种合成地衣系统，可以独立生产建筑材料，无需人工投入。
在NASA创新先进概念项目的支持下，最新研究探索了如何利用该系统在火星上利用风化层建造建筑物。德克萨斯农工大学孔睿·格蕾丝·金博士表示：
我们可以通过模仿天然地衣来构建一个合成群落。我们已经开发出一种构建合成地衣的方法，用于制造将火星风化层颗粒粘合成结构的生物材料。然后，通过3D打印，可以制造各种各样的结构，例如建筑物、房屋和家具。
其他研究人员已经探索了其他粘合火星风化层的策略。这些方法包括基于硫、镁和地质聚合物化合物的方法；然而，它们都严重依赖人力，因此不切实际。
自生长微生物系统是另一种方法。该领域的一些创新包括利用真菌菌丝体作为天然粘合剂，利用尿素分解菌生产用于砌砖的碳酸钙，以及利用细菌生物矿化将沙子转化为坚固的砖石。
虽然这些做法很有前景，但它们并不是完全自主的，因为所使用的微生物仅限于单一物种，并且需要持续供应营养才能生存，这使得外部干预成为必要。
因此，该团队向多个物种寻求完全自主的自生长技术。
这里使用了异养丝状真菌，因为它们能够促进大量生物矿物质的生成，并且能够在恶劣的太空条件下生存。它与光自养固氮蓝藻配对，形成了合成地衣系统。该团队目前正在进行项目的下一步，即制作风化层墨水，用于3D打印生物结构。
“这种自我生长技术在实现长期外星探索和殖民方面具有巨大的潜力。”
-斤
几个月前，佐治亚理工学院的科学家还报告称，他们开发了一种新型模块化、可重构、可持续的构建模块，非常适合陆地和外星栖息地。
这些被称为 Eco-voxels（生态友好型体素）的单元可以减少 碳足迹 高达 40%，同时保持飞机机翼和承重墙所需的结构性能。
这些 3D 像素等效物由聚对苯二甲酸丙二醇酯 (PTT) 制成，这是一种部分生物基聚合物，源自玉米糖，并用制造航空航天部件过程中丢失的废料中回收的碳纤维进行加固。
这些生态体素重量轻，可以快速组装，并且依靠当地采购的材料，使其成为未来月球或火星庇护所的理想选择。
月球和火星栖息地：全球推进
对太空探索的热情显然推动了太空技术的进步。在月球和火星上建立栖息地方面，NASA一直积极参与，了解其中的挑战并开发必要的系统。
其“阿尔忒弥斯”（Artemis）计划是其在月球上建立永久基地的重大进展之一。NASA还与总部位于德克萨斯州的建筑技术公司ICON合作，打造一个太空建筑系统，并已投资其“奥林匹斯项目”（Project Olympus）。
该项目的重点是机器人建造，旨在部署3D打印机器人，利用月球材料建造可居住的建筑、存储单元和着陆垫。该项目甚至已经对其3D打印的火星栖息地原型进行了为期一年的实验。
该公司还通过其 Vulcan 建筑系统为 NASA 建造了一个 3 平方英尺的 1,700D 打印建筑。该建筑由建筑公司 BIG 设计，将模拟火星栖息地，以协助执行长期太空任务。
美国宇航局还在探索利用真菌制成的菌丝砖在火星和月球上建造房屋。
该项目名为“Mycotecture Off Planet”，由美国宇航局艾姆斯研究中心高级科学家林恩·罗斯柴尔德 (Lynn Rothschild) 领导，获得了美国宇航局创新先进概念 (NIAC) 计划的 2 万美元资助，该计划“致力于推进技术以运送我们的宇航员、安置我们的探险者并促进有价值的研究”。
这个概念要求宇航员携带装有休眠真菌的轻质结构，并用少量水刺激真菌生长。菌丝体是一种丝状结构，构成了真菌的主体，可以生长成复杂而坚固的形状，并且可以安全地容纳以避免任何污染。此外，菌丝体还可用于水过滤和从废水中提取矿物质。
该团队已经证明了其概念的可行性，他们创造了基于真菌的生物复合材料并测试了原型，目前的重点是改善真菌栖息地的材料特性，然后在低地球轨道上进行测试。
在欧盟（EU），欧洲航天局（ESA）取得了重大进展。 例如，2020年，它建立了一个原型工厂，利用模拟月球尘埃生产氧气。几年后，它开始研发“展望”（Prospect），这是一个机器人钻机和微型实验室，用于评估月球上的潜在资源，以便将来开采。
为了推动其太空计划，欧空局正在与美国国家航空航天局等其他机构以及多个私人组织合作。
丹麦设计建造公司SAGA为欧空局打造了一个紧凑型训练舱。该舱内设有工作区、公共空间和睡眠舱。与此同时，奥雷利亚研究所正在开发模块化面板，这些面板一旦部署到太空，可以形成更大的结构，为宇航员提供更舒适的环境。
除了资源开采和栖息地原型之外，欧空局还在推进关键的计时技术。它已经建立了一个 原子钟 太空组合钟（ACES）于今年300月从佛罗里达发射升空，进入预定轨道。它由两台相连的原子钟组成，一台包含氢原子，另一台包含铯原子，从而产生一组精度更高的“滴答”声，每XNUMX亿年误差不超过一秒。
高精度时钟将实现更好的导航、资源管理甚至重力测量，支持人类在地球以外的可持续生存。
甚至数据存储也将走向月球
有趣的是，一些公司甚至正在研究将数据中心迁移到太空。今年早些时候，总部位于佛罗里达州的Lonestar Data Holdings公司将其鞋盒大小的设备搭载在了Intuitive Machines公司的雅典娜着陆器（IM-2）上。
IM-2 的目的是展示资源勘探、月球流动性和物质分析，以帮助发现水源，从而在月球表面和太空建立可持续的基础设施。
与此同时，Lonestar Data Holdings 安装在 IM-2 上的设备还携带了被誉为“互联网之父”之一的文特·瑟夫以及佛罗里达州政府等人的数据。
将数据存储在月球上有望帮助克服数据中心面临的挑战。由于对人工智能、机器学习和云服务的需求不断增长，数据中心行业正在经历快速增长。众所周知，数据中心的能耗高、电网紧张、噪音污染严重，而广阔的太空或许可以克服所有这些挑战。
Lonestar 总裁兼首席营收官史蒂夫·艾塞尔 (Steve Eisele) 表示，“月球可能是保护数据最安全的选择”。他补充道：“它更难被黑客入侵；更难渗透；它比地球上的任何问题都更安全，从自然灾害到停电，再到战争。”
该公司计划在2027年之前利用位于L1（太阳和地球之间的拉格朗日点）的多颗卫星推出一项商业数据存储服务。Axiom Space和Starcloud等其他公司也在计划各自的举措。
“月球经济将会增长，未来五年内，我们将需要在月球上建设数字基础设施”，以及“火星及更远的地方”。这将是我们未来的重要组成部分，”艾塞尔说道。
投资太空探索和殖民
在太空领域，诺斯罗普·格鲁曼公司 (NOC ) 深度参与美国宇航局的阿尔忒弥斯计划、Gateway 月球前哨系统、自主机器人和太空制造研究。 它还致力于先进推进、大型可展开结构和精密制造。
诺斯罗普格鲁曼公司 (NOC )
诺斯罗普·格鲁曼公司市值为 72.57 亿美元，目前股价为 506.62 美元，年初至今上涨 7.44%。其每股收益 (TTM) 为 25.36 美元，市盈率 (TTM) 为 19.88 美元，股息收益率为 1.83%。
(NOC )
财务方面，该公司公布9.5年第一季度销售额达92.8亿美元，订单积压金额创历史新高，达1亿美元。净利润总计2025亿美元，即每股摊薄收益481美元。通过股息和股票回购，该公司向股东返还了近3.32亿美元。
诺斯罗普·格鲁曼公司 (NOC) 最新股票新闻和动态
结语
随着我们不断探索宇宙深处，越来越明显的是，我们需要的不仅仅是火箭来建立永久的太空基地。这意味着我们需要能够应对恶劣环境条件和解决资源短缺问题的坚固结构。
从轨道激光塑形金属到生物工程材料、自主机器人和3D打印，这些进步正在为可持续的地外未来铺平道路。随着研究的持续进行，我们距离在地球之外建立永久立足点并建立真正的星际文明正越来越近。
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编者注（2025 年 XNUMX 月）：本文已更新，包括额外的来源归属，并删除了错误描述研究团队在反馈回路开发方面进展的句子。
参考文献：
1.Carter，P.（2025 年 25 月 XNUMX 日）。 从教室到宇宙：学生们的目标是在太空中建造大型物体. 佛罗里达大学新闻。摘自 https://news.ufl.edu/2025/06/manufacturing-in-space-with-lasers/
