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，甚至建立行星际文明吗?
“这就是太空。它不合作”。这句话是被困宇航员马克·沃特尼在火星-概括了航天工业新时代的挑战，以及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．
火星至少通过文学和电影证明，航天器在太空中飞行得越远，机组人员修理、补充燃料或调节航天器的机会就越少。沃特尼必须克服几个障碍，最终回到地球，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生存．
当然，这只是一部电影，但它说明了减轻太空旅行的严酷程度所需的极端措施，以便宇航员完成任务并安全返回家园。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如此具有挑战性?
经受住了空间的极限
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。还有令人难以置信的快速微陨石——本质上是太空尘埃的微小颗粒，其速度约为72公里/秒，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。如果微陨石以超高速撞击航天器表面，可能会导致太空材料出现微裂纹，最终导致航天器部分部件故障。例如，国际空间站(ISS)曾报告过一些微小的油漆碎片飞到窗户上造成损坏的事件。
微陨石本质上是太空尘埃的微小颗粒，其速度比地球上的声速快数十倍。
为了防止这种碎片，可以在航天器上添加屏蔽材料。的双子座而且阿波罗任务中使用的隔热罩由玻璃纤维蜂窝填充聚合物树脂而据报道，SpaceX的“龙”号使用的是这种火箭树脂浸渍碳纤维作为其隔热材料。多组分抗冲击材料也已开发出来，包括安装铝和防弹凯夫拉层，并与树脂粘合，以减少小碎片的穿透。然而，修复这些多组件设计一直是一个问题。在许多情况下，这种复合材料或涂料中使用的树脂或聚合物粘合剂是永久性的，因此任何损坏都无法逆转或修复。唯一的解决方案是更换整个结构，这太昂贵了，而且在太空中具有挑战性。
术语表
玻璃纤维蜂窝填充聚合物树脂:让我们来分析一下这个问题!一个聚合物是由许多重复的亚基键合而成的物质。在这种情况下，聚合物形成一种树脂(一种粘性液体，在紫外线或加热下变成固体)，并与玻璃纤维(一种玻璃增强塑料)混合。蜂窝状是指材料的规则物理结构(见图)。
树脂浸渍碳纤维:这里的“碳纤维”指的是含有由碳制成的细小毛发状纤维的织物。碳纤维增强聚合物是用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。
把我们带到火星的太空材料
在太空探索的新时代，人类宇航员将进行与太空探险相同的星际旅行火星这是一次将科幻概念转化为现实的精彩演绎．
火星距离地球的最小距离被称为“火星近距离”，距离地球约6200万公里。这是月球距离的200多倍。为了让宇航员在这次旅行中获得最大的成功机会，我们必须将电子微型化和自动化与先进的多功能材料结合起来，以突破太空旅行的界限。
火星距离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括动态特性，如自我保护(愈合或自我修复的能力)、可回收性和多功能，以及新材料和设计范式，使其能够支持能够适应其旅程的航天器。
精简空间材料
挑战是显而易见的。航天器的设计一直以轻量化为目标，同时保持强度、安全性和耐久性。例如，NASA在1982年3月的STS-3航天飞机任务中使用了第一个轻型推进剂罐。这使得它比以前的任务减轻了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STS-91中使用的超轻外部燃料箱与以前任务中使用的燃料箱相同大小，但轻了3400公斤。轻量化的航天器可以用更少的燃料拥有更小、更高效的发动机，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，大大优于金属合金。例如，着陆甲板的面板火星2020年毅力探测器采用碳纤维预浸料(预浸渍树脂)，由领先的碳纤维供应商东丽制造。现在著名的火星直升机，匠心，转子叶片和腿由碳cfrp制成;整个结构仅重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)形成的微小管。这些纳米管非常坚固，在高温下保持稳定。用碳纳米管加固聚合物(见上文)可以制造出一种轻质但仍然坚固的材料。
受生物学启发的自我修复飞船
自我保护航天器将包括自修复塑料、复合材料、金属或陶瓷等材料。这些将克服由于微裂缝，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，它们的损伤通常是肉眼看不到的。
裂纹:裂纹:在材料表面形成的细裂纹网
为了指导这项工作，我们正在学习生物愈合系统，比如那些在人体中发现的系统，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，一旦发生机械裂缝或其他损伤，这些微胶囊和中空微纤维就会渗出。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以止血。评估这些自愈材料的适用性仍然需要进行工作，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研究。
术语表
微纤维:一种非常细的合成纤维或纱线。
比自我修复更好的方法是一开始就避免伤害。只有一个原子厚度的突破性材料(也称为二维纳米材料)，如石墨烯，在实验冲击试验中表现出了非凡的能量吸收和耗散效率。这些试验让我们了解了材料在太空中如何经得起微陨石的撞击。一些二维纳米材料的阻挡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，人类宇航员将进行与太空探险相同的星际旅行火星这是一次将科幻概念转化为现实的精彩演绎。
用这些材料混合制造的航天器既能提供高屏蔽效率，又能提供自我修复功能，从而确保未来被困的宇航员能够安全无恙地回家。
太空材料的未来
虽然材料制造和开发以及新颖的工程方法正在取得重大进展，但在人类探索月球和火星的道路上仍然存在许多挑战。
我们不断研发先进的宇宙辐射屏蔽材料，超可靠的电源;自适应、自修复航天器组件;以及高度灵活灵敏的传感器和执行器。例如，太空探索技术公司的“龙眼”配备了一个激光成像探测和测距(LIDAR)传感器该系统可用于创建地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航天器到国际空间站的距离和方位信息的3D图像。
“太空是每个人的。”
Christa麦考利夫
很明显，在开发高效、自主、自修复、自适应、轻质和多功能材料以帮助实现我们的太空旅行目标方面，存在许多机遇和挑战。
在未来的马克·沃特尼将这些材料部署到火星之前，我们就可以在地球上开发和使用这些材料，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。它不仅适用于科学或数学领域的少数人，也不适用于特定的宇航员群体。那是我们的新领域，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的副校长倡议研究员。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。利用新型分子自组装和可扩展的制造方法，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。
