在月球上，任何物品都难以替换，每一个工具和结构部件都必须从地球发射，成本极其高昂。俄亥俄州立大学的研究人员认为，解决方案可能就隐藏在宇航员靴子下的尘埃——月球表岩屑中。月球表岩屑储量丰富且无毒，是利用当地材料进行原位制造的明显候选材料。

如何利用这种材料成为关键问题。多种增材制造技术已用月球表岩屑模拟物测试，但大多存在局限性。激光粉末床熔融需要大型粉床，而粘结剂喷射则需要化学粘结剂，这在空间受限的航天器环境中并不实际。

激光定向能量沉积技术提供了一种解决方案。LDED将表岩屑直接送入激光熔池，其行为更像机器人焊接机而非传统3D打印机。这一区别至关重要，因为LDED可以在现有表面上构建，并就地修复受损结构，而不仅仅是在密闭腔室内制造新零件。

这项发表在《宇航学报》上的研究，使用了一种名为LHS-1的月球高地表岩屑模拟物对LDED进行了全面测试。LHS-1模拟的是月球高地，一个以深色玄武岩为特征的陨石坑密集区的土壤。

研究人员测试了不同的氛围、激光功率和扫描速度，以了解每个变量如何影响粘附性、孔隙率和微观结构。一个重要发现是相变，在适当的条件下，表岩屑会转变为莫来石，这是一种以其热稳定性和机械强度著称的陶瓷。这恰恰是任何旨在月球上生存的结构所需的特性，但实现它的窗口很窄。

论文第一作者、俄亥俄州立大学工业系统工程研究生研究助理Sizhe Xu表示，通过在打印过程中结合不同的原料，如金属和陶瓷，他们发现最终材料对环境非常敏感。他指出，不同的环境会导致不同的性能，这会直接影响某些部件的机械强度和抗热震性。

研究发现，64瓦激光配合6毫米/秒的扫描速度产生了最稳定的结果。打印的基底也很重要，铝硅酸盐陶瓷基底产生了牢固的层间结合，而不锈钢和玻璃都在冷却过程中失败了。这很可能是因为这两种化合物会形成晶体，从而增强了最终结构的热稳定性和机械强度。

资深作者、俄亥俄州立大学机械与航天工程助理教授Sarah Wolff强调了研究中的一个关键挑战：如何在实验室环境中模拟太空条件。她解释道，太空中的某些条件在模拟物中真的很难复制，在实验室里可能行得通，但在资源稀缺的环境中，必须最大化设备的灵活性以适应不同场景。

研究进一步指出，该打印系统未来的迭代版本可以采用太阳能驱动或混合动力架构，而非传统电力。这一发现让Wolff联想到该技术对地球的潜在益处，她认为，如果能在太空使用极少的资源成功制造物品，那意味着也能在地球上实现更好的可持续性。为此，她表示提高设备应对不同场景的灵活性是他们正努力实现的目标。

这项研究目前仍处于实验室规模，尚不具备直接月球应用条件。但这些发现有助于为极端和资源有限环境设计的制造系统的发展。时机也很重要，NASA的阿尔忒弥斯计划正朝着在本世纪晚些时候在月球上建立持续人类存在的目标推进。支持它的基础设施需要有个来源，而这项研究正在为未来打下基础。

*所有图片来源：NASA