纽约科技公司通过玄武岩复合材料方案赢得 NASA 火星栖息地3D打印挑战赛

自 2014 年起,美国宇航局NASA开始试图解决在火星上长期居住的问题。他们举办了一个分阶段的3D打印火星栖息地挑战赛(NASA 3D Printed Habitat Challenge),这是NASA百年火星挑战赛的重要部分。NASA邀请科研专家、工程师及大学实验室利用3D打印创造火星环境下的宜居空间。

今年5月,比赛进入最后阶段, 在上一环节拿到第二名的纽约建筑与科技事务所AI SpaceFactory凭借其高度的自主性和材料研发表现脱颖而出,赢得决赛第一名并收获50万美元的奖金。最后竞赛阶段要求参赛队伍在早期虚拟建模的基础上,利用3D建模软件建造出一个三分之一大小的建筑原型。

该事务所的设计作品“MARSH”是一个圆柱体的巢状屋,可容纳4名宇航员居住。建筑外部覆盖两层壳,第一层用来保持与地面的平衡,第二层可应对剧烈波动的气温。内部分为4层楼,地面层的车库与外部系统相连接。二楼及三楼分布有厨房、睡眠舱、浴室等生活空间。在顶部,明亮的“skyroom”用于非正式的娱乐和锻炼。每一层楼都至少有一个窗口,提供360°的火星全景。

这一创新挑战了传统的洞穴式的“太空时代建筑”形象,将重点放在创造高度适宜居住的空间,以适应火星任务的需要。经过数年的开发,近日在美国布拉德利大学的学习中心,AI SpaceFactory成功在30小时之内打造出了15英尺高(约4.57米)的“MARSHA”原型。

AI SpaceFactory使用可自主操作的机器人手臂,并利用3D打印机制造出了一种可降解、可回收的复合材料,这种材料混合了玄武岩和生物聚合物。玄武岩可直接在火星发掘,而生物聚合物则是由地球上的淀粉制成。

在经受了NASA的压力、烟雾和冲击测试后,人们发现这种材料比竞争对手所使用的混凝土更坚固和耐用。当一台96吨重的履带式挖掘机从顶部挤压结构时,“MARSHA”只有一小块材料断裂了,但整个建筑物几乎没有移动。

这个比赛并不是竞争的终点。通过测试期间收集的数据, AI SpaceFactory决定回收制造“MARSHA”时所用的材料,打造一款名为“TERA”的新设计,它将是地球上第一个太空技术生态栖息地,于本月在众筹网站Indiegogo上发布。 AI SpaceFactory计划把“TERA”用于Airbnb租赁,让人们更近距离地了解外星生活的可能性。

AI SpaceFactory首席执行官兼创始人David Malott表示:“我们为太空开发了这些技术,但它们有可能改变我们在地球上建造的方式。通过使用源自农作物的天然可生物降解材料,我们可以消除建筑业对无法回收的混凝土的大量浪费,并恢复我们的星球。”

玄武岩(basalt),洋壳主要组成,属基性火山岩。是地球洋壳和月球月海的最主要组成物质,也是地球陆壳和月球月陆的重要组成物质。1546年,G.阿格里科拉首次在地质文献中,用basalt这个词描述德国萨克森的黑色岩石。汉语玄武岩一词,引自日文。日本在兵库县玄武洞发现黑色橄榄玄武岩,故得名。

玄武岩是一种基性喷出岩,其化学成分与辉长岩或辉绿岩相似,SiO2含量变化于45%～52%之间,K2O+Na2O含量较侵入岩略高,CaO、Fe2O3+FeO、MgO含量较侵入岩略低。矿物成份主要由基性长石和辉石组成,次要矿物有橄榄石,角闪石及黑云母等,岩石均为暗色,一般为黑色,有时呈灰绿以及暗紫色等。呈斑状结构。气孔构造和杏仁构造普遍。

玄武岩体积密度为2.8～3.3g/cm3,致密者压缩强度很大,可高达300MPa,有时更高,存在玻璃质及气孔时则强度有所降低。玄武岩耐久性甚高,节理多,且节理面多成五边形或六边形,构成柱状节理。性脆,因而不易采得大块石料,由于气孔和杏仁构造常见,虽玄武岩地表上分布广泛,但可作饰面石材不多。

主要成份

玄武岩的主要成份是二氧化硅、三氧化二铝、氧化铁、氧化钙、氧化镁(还有少量的氧化钾、氧化钠),其中二氧化硅含量最多,约占百分之四十五至五十左右。

 玄武岩的颜色,常见的多为黑色、黑褐或暗绿色;在腾冲火山群附近的玄武岩多为青灰色,也有暗红色、橙色、黄色的。因其质地致密,它的比重比一般花岗岩、石灰岩、沙岩、页岩都重。但也有的玄武岩由于气孔特别多,重量便减轻,甚至在水中可以浮起来。因此,把这种多孔体轻的玄武岩,叫做"浮石",在云南腾冲马站火山群脚下附近的村寨里,人们把这些多孔体轻的玄武岩叫做“泡石”。

成分

玄武岩根据其成分不同可以分为拉斑玄武岩、碱性玄武岩、高铝玄武岩

结构

按其结构不同可分为气孔状玄武岩、杏仁状玄武岩、玄武玻璃

充填矿物

按其充填矿物不同可分为橄榄玄武岩、紫苏辉石玄武岩等。

饱和程度

按SiO2饱和程度和碱性强弱,玄武岩被分为两大类:

①拉斑玄武岩(即亚碱性玄武岩),是SiO2过饱和或饱和的岩石。不含橄榄石和霞石,以含斜方辉石、易变辉石为特征。它的SiO2与全碱的关系是(Na2O+K2O)/(SiO2-39)的值小于0.37。

②碱性玄武岩,SiO2不饱和,富碱。含橄榄石和副长石(如霞石)、沸石等,后两种矿物有时与碱性长石或钾质中长石、钾质更长石一起,呈填隙物产于基质中;不含斜方辉石、易变辉石,仅含富钙的单斜辉石,即透辉石质普通辉石。(Na2O+K2O)/(SiO2-39)的值大于0.37。