“天宫”助力打造“硬骨头”——前景广阔的太空制造

作者：兰顺正

首发自：《航天员》

据相关媒体报道，利用在太空得出的实验数据，地球上的中国科学家现已首次成功制造出符合工业应用严格要求的铌合金，这一突破可能将彻底改变航空航天技术。而该新闻也让“太空制造”这一概念再次受到重视。

太空冶金锻炼国之“脊梁”

太空微重力和真空的独特环境显著减少了地球表面重力造成的各种缺陷，为相关制造产业提供了得天独厚的优势。

其中，太空冶金是非常具有前途的项目。苏联于1969年在联盟6号飞船上完成了空间微重力条件下的焊接和合金熔化凝固实验，开创了人类空间冶金史。此后40多年，世界各国进行了上千次的空间实验，人类开始对空间环境有了实质性的认识。

在地面上进行冶炼，重力所导致的浮力对流、沉降及流体静压等都会对冶金过程产生影响。在外太空微重力条件下，重力引起的多种干扰均可消除，表面张力和扩散成为主要控制因素，密度不同的各种金属可以均匀地混合在一起，易于制成不含气体和杂质的特优钢材和各种合金，其强度、塑性和其他性能相较于地面产品都有较大的提升。

而且在地面上熔炼金属一般都要在熔炼炉中进行，但在外太空微重力下，钢球等熔体都“悬浮”着，因此不需要炉体，只用电磁线圈和一套特别的装置，就可以完成冶炼。被熔炼的材料悬浮在空中，电磁线圈通电之后，便会使被熔炼的金属材料因电磁感应而产生涡流，温度升高直至熔化。无容器冶炼消除了器壁污染，还可以抑制异质形核的发生，从而得到更高纯度、更低缺陷密度的高品质产品。

另外，外太空具有与地球不同的引力场，除了微重力还可能存在另外一种极端——超重力环境。比如木星的引力是地球引力的2.5倍左右，也不排除遥远未知的大质量天体，其引力场远大于地球。与微重力下表面张力起主要作用相反，在超重力环境下液体表面张力的作用变得微不足道，液体在巨大的剪切力作用下被拉伸成微小的液膜、液丝和液滴，产生出巨大的相间接触面积，极大地提高了传递速率系数。超重力场强化了相际分离的特点，在冶金中有很大的应用空间。例如，超重力可以强化渣相和金属相的分离，极大加快冶金反应速率。

空间站具备得天独厚的环境

而根据此次的报道，正是通过“天宫”空间站的特殊环境，中国已经在铌合金的制造方面迈出了一大步。铌是一种稀有金属，中国目前是铌的最大消费国，主要用于制造高性能钢材。据悉，由铌合金制成的涡扇发动机叶片能够承受超过1700摄氏度的高温，这种材料比目前常用的镍或钛合金更轻，且在高温下的抗压强度是它们的三倍。因此，用这种材料制成的发动机能够达到现有技术无法实现的速度和运行效率。然而，铌合金存在两大主要缺陷，阻碍了其大规模生产：其高强度晶体的生长非常缓慢，需要近1600摄氏度下长达100小时才能完成，而且由此得到的样品在室温下极脆，无法满足发动机制造工厂的要求。

铌合金是非常优秀的航空航天材料

为了突破难关，三年多以来中国航天员一直在“天宫”空间站开展一项实验——用激光照射悬浮在真空室中的合金颗粒，仔细观察这些颗粒，而后记录颗粒在冷却过程中发生的细微变化。正是得益于微重力环境，中国科学家观察到了一些前所未有的现象，包括合金快速凝固过程中产生的独特缩孔结构，以及与以往地面实验相比完全不同的晶体生长模式。这些基础科学发现，帮助中国科学院院士、西北工业大学物理科学与技术学院教授魏炳波领导的团队更深入地理解了铌合金的物理本质。该团队采用了一种新的快速冷却方法，实现了高质量铌硅晶体近9厘米/秒的生产速度；此外，通过添加微量的铪，使合金的室温强度提高了三倍多，满足了发动机装配线的要求。相关研究人员指出，如果能够借此研究成果大规模生产铌合金，那么中国将在军事和高端制造业领域占据巨大优势。

太空制药造福于民

除了太空冶金外，太空制药同样大有可为，太空制药是指利用返回式卫星、载人飞船等航天器，搭载有治疗作用的微生物菌种进入太空。这些菌种在高真空、强辐射、微重力等太空特殊环境因素作用下发生遗传性状变异，返回地面后，再由科研人员经过地面筛选，选出良性菌种，从而培育出新的药品。

太空环境有助于开发各种新药

如“太空蛋白质晶体生长”实验是载人航天活动中的重要医学项目。蛋白质是生命的物质基础，要解开生物体的奥秘和研制新药，首先要有优质的蛋白质结晶，才能了解它们结构和功能的秘密。在地面上，由于受重力影响，很难制成大而纯的蛋白质晶体。在太空失重条件下，蛋白质晶体比在地球上生长得更纯净、更大。通过对这些晶体的分析，科研人员能更好地了解蛋白质、酶和病毒的性质，从而研制出新药并能够更好地了解生命的基本构造。目前，实验结果已促使全球很多制药公司与航天企业合作，目的是研究出治疗癌症、糖尿病、肺气肿和免疫系统失调的药品或方法。

如美国瓦尔达公司所研发的W-1太空制造舱于2023年6月由猎鹰9火箭发射升空，在直径0.91米的太空返回舱内进行太空制药实验。W-1的返回舱实际上是一个自动化药物生产实验室，携带了制造利托那韦蛋白质晶体所需的材料。利托那韦是一种用于控制艾滋病毒的蛋白酶抑制剂，可减缓艾滋病毒的增殖和蔓延，减轻和延迟病情恶化发展，还是新冠治疗的主要药物之一。

据悉，W-1制造舱发射升空1个月后，已经完成了利托那韦蛋白质晶体的太空生长。2024年2月22日W-1制造舱在犹他州北部着陆成功，之后利托那韦晶体被送交合作伙伴改良制药公司进行分析，为开展后续的太空制药等高价值任务铺平道路。

值得注意的是，太空还是3D打印人体器官的最佳地点。3D打印人体器官就是用3D 打印技术打印活组织。其采用的生物墨水由干细胞和供其生长的营养物质组成，在打印时被一层又一层地添加到支架上。在生物打印过程完成后，器官将被放置在生物反应器中，在那里进一步成熟，形成一个功能正常的器官。

但问题在于，在地面上进行操作的时候，重力会让容器中的细胞和组织在生长过程中被压缩，迫使它们再层叠形成扁平的二维层，这并不是器官自然发育的方式。而如果细胞可以在没有地球重力的情况下生长，那它们就不会沉降到培养容器的底部，飘浮在微重力环境中的细胞可能会以类似于体内发生的方式组装成器官。研究表明，在微重力条件下培养的细胞不会形成二维层，并且能在没有支架的情况下保持理想的形状。2019年，科学家为国际空间站开发了一台“3D生物制造设备”（3D BioFabrication Facility，简称BFF）。这是世界上第一台能够在太空中制造人体组织的3D打印机，于2019年7月搭载SpaceX公司的货运飞船到达国际空间站。

虽然目前在微重力环境下生长的器官可能还难以适应地球上的大气压力和重力影响，或许还会产生意想不到的基因突变，可一旦取得成功，那么对于人类的繁衍将产生巨大的积极意义。

星际时代的坚实基础

更进一步说，随着技术的进步以及相关需求的扩展，未来太空制造业将朝着规模化发展，这也让太空采矿与太空工厂成为可能。

太空采矿，作为未来资源获取的新方式，具有巨大的潜力。月球、小行星以及火星等天体上蕴藏着丰富的矿产资源，如铁、钛、铝、稀有金属和贵金属等。这些资源在地球上日益稀缺，而在太空中却触手可及。通过先进的探测技术和自动化采矿设备，人类可以在不破坏地球环境的前提下，开采这些宝贵的资源。太空采矿不仅能够缓解地球上的资源压力，还能为未来的太空探索提供必要的物质基础。

太空采矿或许并不遥远

在太空采矿的基础上，太空工厂的构想应运而生。太空工厂可以利用太空采矿获得的原材料，进行加工、制造和组装，生产出各种产品。太空工厂不仅能够降低地球上的生产成本，还能避免地球上的环境污染问题。更重要的是，在太空中建立生产基地，可以大大缩短太空探索的周期和成本，为人类的太空探索提供了强大的后勤保障。

未来，太空采矿与太空工厂将成为人类探索宇宙的重要方向。通过太空采矿，人类可以获得丰富的资源；通过太空工厂，人类可以实现资源的高效利用和产品的智能化生产。这一构想不仅有助于解决地球资源危机，还能推动人类文明的进步和发展，代表着人类探索宇宙的新篇章。

诚然，太空采矿与太空工厂都非易事。一方面太空环境的恶劣条件、资源的分布不均以及开采技术的限制，使得太空采矿面临诸多挑战。另一方面太空工厂的实现需要多方面的技术支持和保障，如便捷的天地往返航天技术、高效的能源供应系统、先进的自动化技术和人工智能技术等。但人类不断追求和探索之下，相信在不久的将来，这些看似科幻的构想将成为现实，为人类走向星际时代开辟新的道路。