科学家3D打印水凝胶“以水为盾”，保护宇航员免受太空辐射

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导读：在太空环境中，宇航员面临着巨大的宇宙辐射威胁，这种辐射量在一天内几乎相当于地球人一年所受的辐射。科学家们对此表示担忧，尤其是针对未来的火星任务，辐射的风险仍然存在很大的不确定性。

2025年2月25日，为了解决这一挑战，欧洲航天局(ESA)正在研究更轻便且有效的辐射防护材料。其中，比利时根特大学的研究团队提出了一种创新的解决方案：利用3D打印技术制造水凝胶“防护罩”，这种材料不仅能有效吸收辐射，还能储存水，成为宇航员的双重保护屏障。

△太空风险：辐射。图片由 ESA 提供。

为什么是水？

尽管水在对抗宇宙辐射的斗争中似乎“不太可能成为英雄”，但它却是完成这项工作的最佳天然材料之一。水密度高，充满氢原子。据研究人员称，这些氢原子非常善于与高能粒子相互作用，减慢它们的速度，并减少它们的有害影响。基本上，水就像一块辐射海绵，吸收了原本会伤害宇航员的危险能量。

然而，使用水作为辐射屏蔽并不像随身携带一个大水箱那么容易。事实上，由于水在液态下可以自由流动，试图将其装入宇航服或航天器中可能会导致容器体积过大，难以移动。此外，如果水没有完全分散，甚至在容器被刺破时泄漏，那将是一个问题。在每一盎司都很重要、泄漏可能对宇航服和宇宙飞船中的关键系统造成灾难的环境中，研究人员不得不想出另一种方法来解决这个障碍。

这项技术的突破是水凝胶，它是由高吸水性聚合物(SAP) 吸收水分并膨胀成凝胶状物质而形成的。SAP 用于尿布或隐形眼镜等常见物品，它们可以吸收和保留大量液体而不会泄漏。根特大学聚合物化学和生物材料小组的研究人员由 Peter Dubruel 教授领导，他们希望将这项技术带入太空。借助 3D 打印技术，他们可以将这些水凝胶塑造成辐射防护所需的几乎任何形状。无论是可以贴在宇航服上的贴片，还是衬在航天器壁上的面板，3D 打印都可以实现自定义几何形状。

研究人员之一、博士后研究员 Lenny Van Daele 解释说：“这个项目的神奇之处在于，我们采用的是一项众所周知的技术。我们每天使用的许多东西中都有水凝胶的踪迹。我们的研究小组在医学领域的应用方面拥有丰富的经验——使用水凝胶作为柔软的可植入材料来修复受损的组织和器官。”

水凝胶的一大优势是它们能将水固定在原处，而不是让其自由流动。水被锁在材料结构内，均匀分布，从而提供持续的辐射防护。即使水凝胶贴片被刺破，水也不会立即漏出。这一内置安全功能让宇航员有更多时间做出反应并解决问题。欧空局材料、环境和污染控制部门的材料和工艺工程师 MalgorzataHolynska 补充道：“一旦我们优化了从水凝胶中回收水的方法，这种材料还可以应用于无人任务——用于航天器的辐射防护屏或作为水库。”

这意味着水凝胶可以同时完成两项工作：保护宇航员免受辐射并储存水，这对于长期任务来说极为有价值。根特大学博士后助理 Manon Minsart 指出了另一个好处：“我们使用的超吸水聚合物可以使用多种不同的技术进行加工，这在聚合物中是一种罕见且有利的品质。我们选择的方法是 3D 打印，它使我们能够制造出几乎任何形状的水凝胶。

向未来太空任务迈进

随着人类登陆火星及更远太空任务的推进，对轻质有效辐射屏蔽的需求愈发重要。美国国家航空航天局、欧洲航天局和其他航天机构必须在辐射防护和重量限制之间取得平衡，因为更重的屏蔽会增加发射成本和燃料使用。铝和聚乙烯等传统材料虽然能提供一定的防护，但会增加相当多的重量。多年来，工程师们一直在探索使用更轻的替代品的好处，例如先进的聚合物、多层屏蔽，甚至使用月球或火星上的当地材料，以保证宇航员和设备的安全，同时又不会使航天器过重。同时，水凝胶提供了一种轻质的替代品，可以使用 3D 打印制成不同的形状和尺寸。

Dubruel 总结了他们的任务目标：“我们一直在寻找轻质防辐射材料。在我们的发现活动中，我们成功证明了水凝胶在太空条件下使用是安全的。在这个后续项目中，我们正在应用不同的技术将材料塑造成 3D 结构并扩大生产过程，以便我们能够更接近工业化。”

△太空辐射。图片由 ESA 提供。

水凝胶最终可能会成为太空中的强大盟友。在核反应堆和医院中，水已经被用来屏蔽辐射。这里的创新在于水的储存方式。通过将水 3D 打印成固体结构，科学家可以利用其屏蔽能力，而无需在太空中解决储存或泄漏问题。

未来之路依旧艰辛

从实验室到实际应用的旅程从来都不容易。虽然 3D 打印水凝胶在防辐射方面的初步测试很有希望，但仍有更多工作要做。研究人员必须改进从水凝胶中回收水的方法，完善 3D 打印工艺以实现大规模生产，并在不同的空间条件下测试材料。

根特大学的团队正在实验室中积极开展水凝胶打印实验，这证实了这项研究已经超越了理论，进入了现实世界的发展。目前，研究团队已经用水凝胶打印出了航天飞机和月球上的宇航员的形象，但他们的目标要大得多。他们正在使用 3D 打印技术塑造可用于宇航员服、航天器和火星太空栖息地的水凝胶防护罩。这种方法使防护罩具有灵活性和适应性，表明 3D 打印是让这些水凝胶在太空中发挥作用的关键。

△3D 打印水凝胶航天飞机和月球上的宇航员。图片由 ESA/Johan Dubruel 提供。

这项研究是根特大学一个更大项目的一部分，科学家自 2006 年以来一直致力于研究医用聚合物。他们在医疗保健领域使用水凝胶的经验正在帮助他们开发太空辐射防护罩。ESA 支持这项工作，包括合作和积极资助研究。借助 3D 打印水凝胶，根特大学的研究人员正在为更安全的太空旅行铺平道路，为未来的任务提供清晰的路径，在这些任务中，水可以帮助抵御不可避免的宇宙辐射。