整个阿波罗11号任务前往月球仅用了八天。若我们有朝一日想在月球上建立永久基地，甚至在火星或更远的星球建立基地，那么未来的宇航员将不得不在太空中度过更多的日子、数月乃至数年，且无法持续依赖地球的生命线。问题在于，他们如何获取所需的一切。若使用火箭运送用于在月球上建造和维护长期定居点的全部设备和物资，成本将极其高昂。
这正是3D打印可以发挥作用之处。它使宇航员能够利用原材料，建造月球殖民地所需的任何设施。太空中3D打印的热议大多集中于利用其从月球岩石中建造建筑物。但我的研究表明，实际上，利用这些月球尘埃为月球制造实验室供应原料，以生产各类设备的替换部件，或许更为可行。
增材制造（即3D打印）是一组复杂的技术，可根据数字设计制造几乎任何形状或几何复杂度的实体产品。该技术目前已能使用种类丰富的材料进行制造，包括金属、陶瓷和塑料，其中部分材料可用于制造航天级设备。
3D打印还有一个额外优势，即所需的人工干预极少。您只需设定打印程序，等待成品即可。这意味着它甚至可以远程操作。理论上，您可以在载人机组之前将一台3D打印机送往月球（或任何其他太空目的地），它甚至可以在宇航员抵达之前就开始制造结构。
当然，这其中存在重大挑战。3D打印技术主要是为地球环境开发的，需依赖一定稳定的重力和温度水平才能按设计运行。目前，它所使用的材料远不如月球或火星表面的材料复杂。
利用月球尘埃进行打印
月球表面覆盖着月壤，这是一种松散的粉末状物质，由数百万年来流星撞击月球表面形成。这一过程使基岩顶层逐渐转变为一种类土壤物质，其颗粒直径小于几毫米。虽然理论上可以将月壤用于增材制造，但若要制造3D打印房屋，甚至制造砖块和水泥等更基本的构件，您仍需额外的材料，即从地球运来的液态粘结剂等，与月壤混合使用。
我和同事一直在研究如何仅使用月壤来3D打印一系列工程部件。我们的技术是利用激光将极少量能量转化为热量，使月壤颗粒熔化并融合，形成一层薄而坚固的材料切片。通过多次重复该过程并依次增加层数，我们最终可以构建出三维物体。
每层厚度不足1毫米，因此建造墙壁或完整避难所等大型结构将耗费不切实际的时间。相反，更适合制造较小、经精确设计且细节高度精致的物体，例如除尘或水过滤器，这些物体通常需要直径小于一微米（0.001毫米）的孔。3D打印对于复制关键部件尤为有用，尤其是在这些部件损坏或磨损、且需要更换的速度快于补给飞船从地球运来新部件所需时间的情况下。
为了弄清如何在太空中实现这种3D打印，我们对材料和工艺进行了深入研究，并试图了解月球条件可能会如何影响它们。由于无法便捷获取真实月壤，我们使用了一种在主要化学和矿物成分上与之相似的材料。该材料的形成条件与流星撞击截然不同，但其复杂程度足以让我们研究其与激光的相互作用，并利用这些知识估算真实月壤会如何反应。
我们仍需更深入地了解该材料及其与3D打印过程的相互作用，并设计新颖的技术解决方案以克服任何局限性。目前，我们甚至很难预知可能出现哪些问题。但下一步的良好方向是使用真实月壤进行3D打印测试。地球上现有的样本非常有限，但随着人类即将进入月球活动的新时代，或许不久之后便可获得现成的供应。
