飞向月球是一回事。最近太空材料的进步能帮助我们到达火星，甚至建立星际文明吗?
“这是空间。它不合作”。这句话出自被困宇航员马克·沃特尼火星-概括了航天工业新时代的挑战和美国宇航局领导的重返月球和火星之旅，被称为项目阿耳特弥斯。
火星证明了——至少通过文学和电影——宇宙飞船在太空中飞行得越远，宇航员维修、加油或调节飞船的机会就越少。沃特尼不得不克服几个障碍，最终返回地球，特别是利用现有的资源和工具，以一些非常规的方式在火星上生存。
当然，这只是一部电影，但它说明了宇航员为了完成任务并安全返回家园，减轻太空旅行的严酷需要采取的极端措施。那么，为什么马克·沃特尼的生存如此艰难，为什么我们为遥远的太空建造飞船如此具有挑战性呢?
经受住了太空的极端环境
从根本上说，太空是一个极端的领域，从温度(+288°C到-101°C的冷热循环)到超高真空(即有效的零压力)环境。还有速度快得令人难以置信的微陨石——本质上是微小的太空尘埃颗粒，以大约每秒72公里的速度移动，比地球上的声速快数十倍。用于航天器和太空旅行的材料没有可用的大气层保护层来保护它们。如果微陨石以超高的速度与航天器表面相撞，就会导致太空材料出现微裂纹，最终导致航天器的部分部件失效。例如，国际空间站(ISS)曾报告过微小的油漆碎片飞出造成窗户损坏的事件。
微陨石本质上是太空尘埃的微小颗粒，其在地球上的传播速度是音速的几十倍。
为了防止这种碎片，可以在航天器中添加屏蔽材料。的双子座和阿波罗《任务》采用了一种隔热罩制成玻璃纤维蜂窝填充聚合物树脂，而SpaceX的Dragon据报道使用树脂浸渍碳纤维作为其隔热材料。还开发了多组分抗冲击材料，包括安装的铝和防弹凯夫拉层，与树脂粘结，以减少小碎片的穿透。然而，修复这些多组份设计一直是一个问题。在很多情况下，这种复合材料或涂层中使用的树脂或聚合物粘合剂是永久固化的，因此任何损坏都无法逆转或修复。唯一的解决办法是更换整个结构，这太昂贵了，而且在太空中可能具有挑战性。
术语表
玻璃纤维蜂窝填充聚合物树脂:让我们稍微分解一下这个!一个聚合物是由许多重复的亚基结合在一起而成的物质。在这种情况下，聚合物会形成一种树脂，这是一种在紫外线或高温下会变成固体的粘性液体，并与玻璃纤维(一种玻璃增强塑料)混合。蜂巢指的是这种材料的规则物理结构(见图)。
树脂浸渍碳纤维:这里的“碳纤维”指的是含有微小的、像头发一样的碳纤维的织物。碳纤维增强聚合物是由微小碳纤维增强的塑料，有点类似于玻璃纤维(见上文)。用树脂“浸渍”聚合物可以制成更耐用的材料。
太空材料带我们去火星
在太空探索的新时代，人类宇航员将进行同样的星际旅行火星这是一次将科幻小说中的概念转化为现实的令人兴奋的翻译。
火星与地球的最小距离——即所谓的火星近距离——约为6200万公里。这是月球距离的200多倍。为了让宇航员有最大的成功机会踏上这趟旅程，我们必须将电子小型化和自动化与先进的多功能材料结合起来，以推动太空旅行的边界。
火星与地球的最小距离约为6200万公里。这是月球距离的200多倍。
你必须试着想象未来的航天器将包含动态特性，如自我保存(治愈或修复自己的能力)、可回收性和多功能，以及新材料和设计范式，使支持容器能够适应其旅程成为可能。
减薄太空材料
挑战是显而易见的。航天器的设计一直以重量轻为目标，同时保持强度、安全性和耐用性。例如，NASA在1982年3月的STS-3航天飞机任务中使用了第一种轻型推进剂燃料箱。这比之前的任务节省了272公斤的重量。随着时间的推移，这一重量进一步显著降低——1998年6月，在和平号太空任务的最后一次航天飞机任务中，STS-91使用的超轻型外部燃料箱与之前任务中使用的燃料箱尺寸相同，但重量轻了3400公斤。轻量化航天器可以使用更小、更高效的发动机和更少的燃料，这直接转化为显著的成本节约。
混合材料复合材料如碳纤维，或碳纳米管增强聚合物复合材料碳纤维增强材料(CFRP)有望在不牺牲强度的情况下将重量降低三倍，比金属合金有显著改善。例如，飞机的着陆甲板面板火星2020年毅力探测器使用由领先的碳纤维供应商东丽制造的碳纤维预浸料(树脂预浸渍)制备。和著名的火星直升机、独创性，转子叶片和腿由碳cfrp制成;整个结构的重量只有1.8公斤。
术语表
碳纳米管增强聚合物复合材料:碳纳米管是由卷曲的石墨烯薄片(一种一纳米厚的碳的形式)形成的微小管。这些纳米管非常坚固，在高温下保持稳定。使用碳纳米管来强化聚合物(见上文)，就能创造出一种轻质但依然坚固的材料。
受生物学启发的自愈飞船
自保航天器将包括自愈合塑料、复合材料、金属或陶瓷等材料。这些材料将克服由于微裂缝,银纹，或其他类型的机械故障。
术语表
微裂隙:在材料表面或内部形成的微小(微米级)损伤。由于微裂纹的大小，其造成的损伤通常用肉眼是看不到的。
裂纹:裂纹:在材料表面形成的细裂纹网
为了实现这项工作，我们正在从生物愈合系统中学习，比如在人体中发现的那些——但太空中的自愈合材料需要在比愈合人类皮肤伤口所需的时间短得多的时间框架内对损伤做出反应。
例如，航天器结构部件可以用含有自主自愈合剂的微胶囊和中空微纤维制成，一旦发生机械裂纹或其他损伤，这些微纤维就会立即出血。这种机制模仿了人体的血管系统，将血小板运送到受伤部位止血。评估这些自愈材料的适用性仍需工作——包括对它们如何受到辐射、温度波动和真空效应的影响进行批判性调查。
术语表
微纤维:极细的合成纤维或纱线
比自我治愈更好的是在一开始就避免伤害。只有一原子厚度的突破性材料(也被称为二维纳米材料)，如石墨烯，在实验冲击试验中，对微子弹表现出了非凡的能量吸收和耗散效率。这些试验让我们对材料在太空中如何对抗微陨石有了初步的了解。一些二维纳米材料的阻力是凯夫拉尔的两倍，大约是钢板的10倍。
在太空探索的新时代，人类宇航员将进行同样的星际旅行火星将科幻小说中的概念转化为现实，令人兴奋不已。
用这些材料混合而成的航天器将提供高屏蔽效率和自我修复功能，这将确保未来滞留的宇航员能够安全无恙地回家。
空间材料的未来
尽管材料制造和开发以及新颖的工程方法正在取得重大进展，但在人类前往月球和火星的星际探索道路上仍存在许多挑战。
我们继续研发用于宇宙辐射屏蔽的先进材料、超可靠电源;自适应、自修复的航天器组件;以及高度灵活灵敏的传感器和执行器。例如，SpaceX的“龙眼”就配备了一个激光成像探测和测距(LIDAR)传感器，可以用来创建星球表面的高分辨率地图，并控制自动驾驶车辆的导航。“龙眼”激光雷达传感器可以提供从宇宙飞船到国际空间站的距离和方位信息的3D图像。
“太空是属于每个人的。”
Christa麦考利夫
很明显，为了帮助实现我们的太空旅行目标，在开发高效、自主、自愈合、自适应、轻量化和多功能材料方面存在许多机遇和挑战。
在我们看到未来的马克·沃特尼在火星上部署这些材料之前，我们就可以在地球上开发和使用它们，这让它们的价值更加巨大。我们正在努力创造能够经受住不合作太空的严酷考验的材料——想象一下它们在地球上的用途会是什么。
这次引用一位真正的宇航员的话，已故但仍然鼓舞人心的克里斯塔·麦考利夫(Christa McAuliffe):“太空是属于每个人的。它不只是属于科学或数学领域的少数人，也不只是属于特定的一群宇航员。那是我们的新前沿，了解太空是每个人的事。”
原子力安全保安院萨利姆
Nisa Salim博士目前是斯威本科技大学副校长倡议研究员。Nisa的研究重点是具有自然灵感设计的多功能材料，以解决具有挑战性的问题。利用新颖的分子自组装和可伸缩的制造方法，她开发了各种长度尺度和尺寸的材料，用这些材料创建了工作原型和设备。
