UTEP加入NASA项目，利用月球风化层在太空中3D打印电池

紧随此前联邦拨款开发太空技术（如在月球上开采水）之后，德克萨斯大学埃尔帕索分校（UTEP）加入了由美国宇航局领导的一个项目，使用月球和火星风化层3D打印可充电电池，这是覆盖月球和火星表面的顶层材料。通过利用未来3D打印项目的基本要素，即原位资源利用（ISRU），该技术可以通过减少有效载荷重量和死体积并支持在月球表面开发Artemis大本营，最大限度地提高航天员在即将到来的月球和火星任务中的可持续性。 计划于 2028 年进行。

月球或火星上广泛可用的资源对于开发人类在太空中生存的基础设施至关重要。从居住模块到发电和储能设施，未来十年有很多计划的任务来探索月球自然资源的潜力。美国宇航局决心建立一个可持续的基础设施，使宇航员能够以前所未有的方式检查和研究月球景观，然后开发和展示利用月球资源生产水、燃料和其他供应的技术，以及在月球上挖掘和建造结构的能力，这一点至关重要。

UTEP加入NASA项目，使用月球和火星风化层3D打印可充电电池。图片由JR Hernandez/UTEP提供。

根据航空航天和机械工程教授兼UTEP工程学院副院长Eric MacDonald的说法，该研究所在3D打印和材料科学方面的声誉，以及其最先进的设施和增材制造（AM）的深厚传统，对于说服NASA合作伙伴进行这项变革性调查至关重要，这与大多数NASA研究一样， 将在太空和地球上有应用。

测试平台

UTEP的615，000美元赠款是一个更广泛的2万美元项目的一部分，该项目包括扬斯敦州立大学（YSU），5D打印机制造商Formlabs以及ICON是目前领导NASA火星沙丘阿尔法项目的私营部门公司，以3D打印火星上的未来栖息地，以及美国宇航局的马歇尔太空飞行中心，格伦研究中心和艾姆斯研究中心。 为了详细说明这一进展，该团队在美国化学学会的同行评审期刊ACS Energy Letters的一月刊上发表了一篇题为“月球和火星上的电池制造会是什么样子？”的文章。

如该文件所述，该团队的初步调查表明，高分辨率多材料打印机的开发和优化能够实现复合电池组件的可打印性对于未来在月球和火星表面上使用ISRU材料进行完整的3D电池制造至关重要。

此外，已发表的工作还强调了两种类型的3D打印工艺 – 材料挤出（ME）和还原光聚合（VPP） – 以在月球和火星上生产形状合适的电池。这些复杂的3D电池设计可以胜过现有的商用电池，因为它们可以填充物体的尺寸。专家解释说，这种量身定制的电池特别适用于小型航天器，便携式功率设备，机器人以及月球和火星栖息地任务的大型电源系统。

使用月球和火星ISRU作为材料的材料提取和可充电电池的制造渲染。图片由美国宇航局提供。

除了太空电池，该团队还专注于开发可以在地球上使用的形状合适的电池。例如，这些电池可以嵌入3D打印的混凝土墙中，并与太阳能发电相连，为发展中国家的救灾创造紧凑，自给自足的房屋。

实验的

像国际空间站（ISS）和探索机器人这样的航天器依靠锂离子（Li-ion）电池作为主要动力。然而，该团队解释说，用ISRU材料制造锂离子电池以支持未来在月球和火星上的长期任务是不可行的，因为月球上几乎没有锂。这就是为什么，对于这个项目，UTEP研究团队目前专注于基于更丰度钠的钠离子电池化学。尽管所有月球物质中的钠浓度相对较低，但它们在残余熔岩中覆盖了相当大的范围，而在火星上，钠浓度甚至更高。此外，其他关键的电池组件，如隔板，可以通过回收废弃的包装材料在月球或火星上制备。

“与NASA合作的这个项目是展示UTEP在储能和3D打印方面的专业知识的机会，”UTEP航空航天与机械工程系的博士后研究员和法国富布赖特学者Alexis Maurel说。“增材制造似乎是一种独特的方法来制造形状合适的电池，以支持人类在太空和月球或火星表面的操作，在这些地方，货物补给并不容易获得。

亚历克西斯·莫雷尔和安娜·克里斯蒂娜·马丁内斯·马西尔印刷电池。图片由UTEP提供。

在该项目的初始阶段，NASA，UTEP和YSU将确定并致力于从月球和火星风化层中提取电池材料和前体。UTEP和YSU团队已经使用VPP技术为钠离子电池的每个部分（包括电极，电解质和集电器）开发和3D打印复合树脂原料。此外，美国宇航局马歇尔太空飞行中心和艾姆斯研究中心的团队使用材料挤出为不同的电池组件开发了3D打印复合墨水。最后，UTEP和NASA的格伦研究中心对完成的3D打印钠离子电池组件进行了电化学测试。

缺乏电池电量可能会破坏地球以外的关键操作。因此，为太空探索制造更好的电池至关重要。取代目前在地球上使用的电池系统的新型储能技术将解决生活在外层空间的主要挑战，特别是学习如何利用现场的原始资源制造它们。任何来自ISRU的材料都减少了一种需要从地球运输到太空的原料。这些下一代电池可以帮助为备受期待的阿尔忒弥斯任务提供动力，这些任务能够在恶劣的太空环境中建造。