科學(xué)家3D打印水凝膠“以水為盾”，保護(hù)宇航員免受太空輻射

導(dǎo)讀：在太空環(huán)境中，宇航員面臨著巨大的宇宙輻射威脅，這種輻射量在一天內(nèi)幾乎相當(dāng)于地球人一年所受的輻射�？茖W(xué)家們對(duì)此表示擔(dān)憂，尤其是針對(duì)未來(lái)的火星任務(wù)，輻射的風(fēng)險(xiǎn)仍然存在很大的不確定性。

2025年2月25日，南極熊獲悉，為了解決這一挑戰(zhàn)，歐洲航天局(ESA)正在研究更輕便且有效的輻射防護(hù)材料。其中，比利時(shí)根特大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種創(chuàng)新的解決方案：利用3D打印技術(shù)制造水凝膠“防護(hù)罩”，這種材料不僅能有效吸收輻射，還能儲(chǔ)存水，成為宇航員的雙重保護(hù)屏障。

△太空風(fēng)險(xiǎn)：輻射。圖片由 ESA 提供。

為什么是水？

盡管水在對(duì)抗宇宙輻射的斗爭(zhēng)中似乎“不太可能成為英雄”，但它卻是完成這項(xiàng)工作的最佳天然材料之一。水密度高，充滿氫原子。據(jù)研究人員稱(chēng)，這些氫原子非常善于與高能粒子相互作用，減慢它們的速度，并減少它們的有害影響�；�本上，水就像一塊輻射海綿，吸收了原本會(huì)傷害宇航員的危險(xiǎn)能量。

然而，使用水作為輻射屏蔽并不像隨身攜帶一個(gè)大水箱那么容易。事實(shí)上，由于水在液態(tài)下可以自由流動(dòng)，試圖將其裝入宇航服或航天器中可能會(huì)導(dǎo)致容器體積過(guò)大，難以移動(dòng)。此外，如果水沒(méi)有完全分散，甚至在容器被刺破時(shí)泄漏，那將是一個(gè)問(wèn)題。在每一盎司都很重要、泄漏可能對(duì)宇航服和宇宙飛船中的關(guān)鍵系統(tǒng)造成災(zāi)難的環(huán)境中，研究人員不得不想出另一種方法來(lái)解決這個(gè)障礙。

這項(xiàng)技術(shù)的突破是水凝膠，它是由高吸水性聚合物(SAP) 吸收水分并膨脹成凝膠狀物質(zhì)而形成的。SAP 用于尿布或隱形眼鏡等常見(jiàn)物品，它們可以吸收和保留大量液體而不會(huì)泄漏。

根特大學(xué)聚合物化學(xué)和生物材料小組的研究人員由 Peter Dubruel 教授領(lǐng)導(dǎo)，他們希望將這項(xiàng)技術(shù)帶入太空。借助 3D 打印技術(shù)，他們可以將這些水凝膠塑造成輻射防護(hù)所需的幾乎任何形狀。無(wú)論是可以貼在宇航服上的貼片，還是襯在航天器壁上的面板，3D 打印都可以實(shí)現(xiàn)自定義幾何形狀。

研究人員之一、博士后研究員 Lenny Van Daele 解釋說(shuō)：“這個(gè)項(xiàng)目的神奇之處在于，我們采用的是一項(xiàng)眾所周知的技術(shù)。我們每天使用的許多東西中都有水凝膠的蹤跡。我們的研究小組在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用方面擁有豐富的經(jīng)驗(yàn)——使用水凝膠作為柔軟的可植入材料來(lái)修復(fù)受損的組織和器官�！�

水凝膠的一大優(yōu)勢(shì)是它們能將水固定在原處，而不是讓其自由流動(dòng)。水被鎖在材料結(jié)構(gòu)內(nèi)，均勻分布，從而提供持續(xù)的輻射防護(hù)。即使水凝膠貼片被刺破，水也不會(huì)立即漏出。這一內(nèi)置安全功能讓宇航員有更多時(shí)間做出反應(yīng)并解決問(wèn)題。

歐空局材料、環(huán)境和污染控制部門(mén)的材料和工藝工程師 MalgorzataHolynska 補(bǔ)充道：“一旦我們優(yōu)化了從水凝膠中回收水的方法，這種材料還可以應(yīng)用于無(wú)人任務(wù)——用于航天器的輻射防護(hù)屏或作為水庫(kù)�！�

這意味著水凝膠可以同時(shí)完成兩項(xiàng)工作：保護(hù)宇航員免受輻射并儲(chǔ)存水，這對(duì)于長(zhǎng)期任務(wù)來(lái)說(shuō)極為有價(jià)值。

根特大學(xué)博士后助理 Manon Minsart 指出了另一個(gè)好處：“我們使用的超吸水聚合物可以使用多種不同的技術(shù)進(jìn)行加工，這在聚合物中是一種罕見(jiàn)且有利的品質(zhì)。我們選擇的方法是 3D 打印，它使我們能夠制造出幾乎任何形狀的水凝膠。

向未來(lái)太空任務(wù)邁進(jìn)

隨著人類(lèi)登陸火星及更遠(yuǎn)太空任務(wù)的推進(jìn)，對(duì)輕質(zhì)有效輻射屏蔽的需求愈發(fā)重要。美國(guó)國(guó)家航空航天局、歐洲航天局和其他航天機(jī)構(gòu)必須在輻射防護(hù)和重量限制之間取得平衡，因?yàn)楦�重的屏蔽�?huì)增加發(fā)射成本和燃料使用。鋁和聚乙烯等傳統(tǒng)材料雖然能提供一定的防護(hù)，但會(huì)增加相當(dāng)多的重量。

多年來(lái)，工程師們一直在探索使用更輕的替代品的好處，例如先進(jìn)的聚合物、多層屏蔽，甚至使用月球或火星上的當(dāng)?shù)夭牧�，以保證宇航員和設(shè)備的安全，同時(shí)又不會(huì)使航天器過(guò)重。同時(shí)，水凝膠提供了一種輕質(zhì)的替代品，可以使用 3D 打印制成不同的形狀和尺寸。

Dubruel 總結(jié)了他們的任務(wù)目標(biāo)：“我們一直在尋找輕質(zhì)防輻射材料。在我們的發(fā)現(xiàn)活動(dòng)中，我們成功證明了水凝膠在太空條件下使用是安全的。在這個(gè)后續(xù)項(xiàng)目中，我們正在應(yīng)用不同的技術(shù)將材料塑造成 3D 結(jié)構(gòu)并擴(kuò)大生產(chǎn)過(guò)程，以便我們能夠更接近工業(yè)化�！�

△太空輻射。圖片由 ESA 提供。

水凝膠最終可能會(huì)成為太空中的強(qiáng)大盟友。在核反應(yīng)堆和醫(yī)院中，水已經(jīng)被用來(lái)屏蔽輻射。這里的創(chuàng)新在于水的儲(chǔ)存方式。通過(guò)將水 3D 打印成固體結(jié)構(gòu)，科學(xué)家可以利用其屏蔽能力，而無(wú)需在太空中解決儲(chǔ)存或泄漏問(wèn)題。

未來(lái)之路依舊艱辛

從實(shí)驗(yàn)室到實(shí)際應(yīng)用的旅程從來(lái)都不容易。雖然 3D 打印水凝膠在防輻射方面的初步測(cè)試很有希望，但仍有更多工作要做。研究人員必須改進(jìn)從水凝膠中回收水的方法，完善 3D 打印工藝以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)，并在不同的空間條件下測(cè)試材料。

根特大學(xué)的團(tuán)隊(duì)正在實(shí)驗(yàn)室中積極開(kāi)展水凝膠打印實(shí)驗(yàn)，這證實(shí)了這項(xiàng)研究已經(jīng)超越了理論，進(jìn)入了現(xiàn)實(shí)世界的發(fā)展。目前，研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)用水凝膠打印出了航天飛機(jī)和月球上的宇航員的形象，但他們的目標(biāo)要大得多。他們正在使用 3D 打印技術(shù)塑造可用于宇航員服、航天器和火星太空棲息地的水凝膠防護(hù)罩。這種方法使防護(hù)罩具有靈活性和適應(yīng)性，表明 3D 打印是讓這些水凝膠在太空中發(fā)揮作用的關(guān)鍵。

△3D 打印水凝膠航天飛機(jī)和月球上的宇航員。圖片由 ESA/Johan Dubruel 提供。

這項(xiàng)研究是根特大學(xué)一個(gè)更大項(xiàng)目的一部分，科學(xué)家自 2006 年以來(lái)一直致力于研究醫(yī)用聚合物。他們?cè)卺t(yī)療保健領(lǐng)域使用水凝膠的經(jīng)驗(yàn)正在幫助他們開(kāi)發(fā)太空輻射防護(hù)罩。

ESA 支持這項(xiàng)工作，包括合作和積極資助研究。借助 3D 打印水凝膠，根特大學(xué)的研究人員正在為更安全的太空旅行鋪平道路，為未來(lái)的任務(wù)提供清晰的路徑，在這些任務(wù)中，水可以幫助抵御不可避免的宇宙輻射。