从地球向火星运送物资的成本高得惊人——每公斤货物运输费用高达十万美金。这意味着，若要向火星运送一个两公斤的包裹，费用将飙升至二十万美金，约合一百四十多万人民币。如果火星殖民所需的螺丝钉、齿轮和替换零件全依赖地球供应，恐怕还没完成殖民，地球的资源就要被耗尽了。
不过，阿肯色大学机械工程系的两位研究人员近日取得了一项突破性进展，让整个航天界为之振奋。他们在纯二氧化碳环境中成功使用激光3D打印技术制造出金属零件，而打印所用的气体直接取自模拟火星大气环境。这一成果发表于《制造与材料加工期刊》，第一作者为该校博士生，通讯作者为副教授。
在地球上，金属3D打印技术被称为激光粉末床熔融（LPBF），能够制造出接近全致密且精度极高的金属零件。然而，这项技术有一个致命弱点：必须在氩气保护下进行。因为激光照射会使金属粉末瞬间融化至一千多度，若存在氧气，金属会迅速氧化，导致零件表面发黑、开裂甚至报废。氩气作为惰性气体，不会与金属发生反应，因此成为理想的保护气。
然而，火星大气中几乎没有氩气，其成分中超过95%是二氧化碳，剩余部分为氮气和微量氩气。如果从地球运送氩气上火星，成本将与运送钢材无异。火星表面的气压仅为地球的0.6%，相当于地球三十多公里高空的真空度。在这种低压环境下，气体的物理行为与常温常压完全不同，直接暴露打印舱会导致热传导效率下降。
为了解决这一问题，研究人员大胆尝试将打印舱内的气体替换为纯二氧化碳，模拟火星大气环境。他们选用316L不锈钢粉末作为材料，这种材料耐腐蚀、耐高温且焊接性能优异，是火星殖民中最可能使用的结构材料。实验中，他们使用1064纳米光纤激光器，最大功率80瓦，通过调整激光功率和扫描速度等参数，探索在二氧化碳环境下打印零件的最佳条件。
实验结果显示，二氧化碳环境下打印的零件表面质量确实不如氩气环境，氧化更严重，球化效应更明显，致密性也较差。然而，与地球普通空气环境相比，二氧化碳环境的表现却显著优于空气。尤其是在高功率下，空气环境中打印的零件会出现清晰裂纹，根本无法使用。而二氧化碳环境下的零件氧化程度仅比地球最佳条件高不到17个百分点，却比地球普通空气低近10个百分点。
研究人员解释称，二氧化碳在激光高温下会分解产生少量氧气和一氧化碳，但这一反应是可控的。关键在于，二氧化碳与熔融不锈钢之间的界面能比空气低得多，熔池的流动稳定性反而优于空气。这意味着，二氧化碳虽然不是惰性气体，但在高温下不像氧气那样疯狂攻击金属表面，熔池更听话，飞溅更少，成型更稳。
更令人振奋的是，这一技术不仅适用于火星，在地球上也有巨大的应用潜力。工业氩气的价格是二氧化碳的十倍以上，且提取过程能耗极高。而二氧化碳在工业废气中随处可见，化肥厂、电厂和水泥厂的烟囱中大量排放。如果金属3D打印工厂能够用二氧化碳替代氩气，成本将大幅降低。对于中型工厂而言，每年氩气费用少则几十万，多则上百万，而改用二氧化碳后，气费几乎可以忽略不计。
研究人员还提出了太阳能驱动的火星3D打印构想。火星表面接收到的太阳辐射密度约为地球的一半，足以驱动一台中等功率的激光器。激光加热金属粉末，二氧化碳充满打印舱，无需从地球运送任何气体，也无需复杂的密封系统。这才是真正的就地取材和可持续制造。
中国在这一领域也在积极布局。中国科学院空间应用工程与技术中心发布了空间站舱内3D打印的技术验证成果，成功完成连续纤维增强复合材料的在轨打印。北京航空航天大学王华明团队在激光增材制造钛合金方面积累了数十年的技术储备。虽然国内目前尚未公开二氧化碳保护气LPBF打印研究，但相关方向已被列入空间智能制造的技术路线图。
下一步，研究人员计划在模拟火星低压环境下进行二氧化碳打印实验，验证低压对熔池行为的影响是否与预测一致。同时，粉末回收再利用的可行性也是关键，因为火星上没有新的粉末供应，同一批粉末需反复使用，循环次数直接影响制造系统的可持续性。
