科技日?qǐng)?bào)記者 劉霞
科學(xué)家早已發(fā)現(xiàn)，地球軌道上的微重力環(huán)境能夠孕育出比地面更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，這一發(fā)現(xiàn)催生了太空制造這一前沿概念。隨著火箭發(fā)射成本持續(xù)下降，加上制造技術(shù)日新月異的發(fā)展，太空制造業(yè)的星星之火即將呈現(xiàn)燎原之勢(shì)。
美國(guó)《連線》雜志描繪了這樣一幅圖景：太空制造正成為探索宇宙與工業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合的變革性領(lǐng)域，或?qū)氐赘膶?xiě)人類(lèi)在太空中的生產(chǎn)方式與資源利用模式。
據(jù)預(yù)測(cè)，到2035年，太空制造業(yè)將達(dá)千億美元產(chǎn)值。在這個(gè)獨(dú)特的太空工廠里，人類(lèi)有望制造出純度更高的光纖、更完美的半導(dǎo)體晶體，以及更有效的抗癌藥物。
新材料和生物醫(yī)學(xué)的天然工廠
《新世界百科全書(shū)》將太空制造定義為：在地球以外的特殊環(huán)境（如微重力或強(qiáng)真空條件）下生產(chǎn)零部件或材料的過(guò)程。
美國(guó)內(nèi)華達(dá)大學(xué)里諾分校機(jī)械工程系的普拉迪普·梅內(nèi)塞斯等人在《制造和材料處理》雜志上撰文指出，太空制造可降低發(fā)射成本。在太空直接制造零部件，可大幅減少?gòu)牡厍蜻\(yùn)送完整結(jié)構(gòu)的負(fù)擔(dān)，從而減輕火箭的有效載荷，節(jié)省了高昂的發(fā)射費(fèi)用。另外，太空制造可按需制造、減少依賴(lài)。宇航員可在太空現(xiàn)場(chǎng)制造工具、更換零件，而不必完全依賴(lài)預(yù)先攜帶的備件。這不僅縮短了設(shè)備維修的等待時(shí)間，還提升了任務(wù)的靈活性。而且，通過(guò)回收材料、利用月球土壤（風(fēng)化層）、火星塵埃甚至太空碎片，人類(lèi)可以就地取材，減少對(duì)地球補(bǔ)給的依賴(lài)，推動(dòng)可持續(xù)的太空探索。
太空的微重力環(huán)境也為生產(chǎn)地球上難以實(shí)現(xiàn)的高純度材料提供了理想條件。2024年《自然·材料》雜志報(bào)道，國(guó)際空間站生產(chǎn)的ZBLAN光纖性能遠(yuǎn)超傳統(tǒng)二氧化硅光纖，有望用于高速通信和軍事探測(cè)。美國(guó)加州理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，太空制造的半導(dǎo)體晶體缺陷率降低了85%以上，為下一代芯片技術(shù)開(kāi)辟新可能。今年1月，中國(guó)科學(xué)家宣布在天宮空間站上制造出一款突破性金屬合金，性能優(yōu)于地球同類(lèi)產(chǎn)品。
英國(guó)Space Forge公司首席執(zhí)行官約書(shū)亞·威斯特恩指出，太空制造的晶體不僅適用于半導(dǎo)體，還可能催生更高效的藥物。
據(jù)美國(guó)太空網(wǎng)報(bào)道，瓦爾達(dá)航空工業(yè)公司的W-1太空制造艙已于今年2月返回地球，其攜帶有獨(dú)特的有效載荷——利托那韋的晶體。這種蛋白酶抑制劑不僅能延緩艾滋病病毒擴(kuò)散，更是新冠治療的重要藥物。該公司表示，此類(lèi)產(chǎn)品的市場(chǎng)潛力和健康益處“不可估量”。
太空還是3D打印人體器官的最佳地點(diǎn)：在微重力條件下培養(yǎng)的細(xì)胞不會(huì)形成二維層，且能在沒(méi)有支架的情況下保持理想形狀。2019年，國(guó)際空間站部署了全球首臺(tái)太空生物3D打印機(jī)，可制造復(fù)雜的人體組織。
自主和機(jī)器人制造系統(tǒng)潛力巨大
自主化與機(jī)器人制造這些尖端系統(tǒng)，能夠直接在外太空制造各類(lèi)零部件并完成整體裝配，實(shí)現(xiàn)從航天器構(gòu)件、專(zhuān)用工具到太陽(yáng)能設(shè)備等基礎(chǔ)物資的太空本地化生產(chǎn)。以往受限于運(yùn)載尺寸而無(wú)法整體運(yùn)輸?shù)某笮蜆?gòu)件，如今可以在太空直接制造，為月球基地建設(shè)、火星駐留任務(wù)以及深空探索提供了關(guān)鍵支撐。
現(xiàn)代自主制造系統(tǒng)展現(xiàn)出令人驚嘆的智能化水平：從材料優(yōu)選、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到成品制造與質(zhì)量檢測(cè)，整個(gè)生產(chǎn)流程無(wú)需人工干預(yù)。智能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)通過(guò)圖像識(shí)別與機(jī)械臂協(xié)同，能實(shí)時(shí)捕捉3D打印過(guò)程中的壓痕變形、層間錯(cuò)位等缺陷，并立即進(jìn)行太空原位修復(fù)。這種“自診斷—自修復(fù)”能力不僅大幅降低材料損耗，更避免了將故障部件運(yùn)回地球的高昂代價(jià)。
美國(guó)國(guó)家航空航天局研發(fā)的自主可重構(gòu)太空裝配系統(tǒng)堪稱(chēng)太空機(jī)器人制造典范。這些看似小巧的機(jī)器人如同太空“樂(lè)高大師”，能協(xié)作組裝出天線陣列、居住艙乃至完整的太空港設(shè)施。這種創(chuàng)新方式完美解決了大型太空結(jié)構(gòu)的地面運(yùn)輸難題。
隨著技術(shù)演進(jìn)，這些智能制造系統(tǒng)必將成為人類(lèi)開(kāi)拓太空的得力伙伴，重塑在地球之外創(chuàng)新求存的發(fā)展范式。
降低成本乃當(dāng)務(wù)之急
太空制造仍面臨不少亟待解決的難題。
《連線》雜志指出，首當(dāng)其沖的是如何經(jīng)濟(jì)高效地將設(shè)備送入太空，并將成品運(yùn)回地球。令人欣喜的是，SpaceX的獵鷹9號(hào)火箭已大幅降低了太空運(yùn)輸成本，而Space Forge與瓦爾達(dá)航空工業(yè)公司正在研發(fā)可返回地球的無(wú)人太空艙，為太空制造鋪就道路，后者業(yè)已執(zhí)行兩次任務(wù)展示了其太空艙的運(yùn)輸能力。
微重力環(huán)境也似雙刃劍。它既賦予材料新特性，也帶來(lái)諸多挑戰(zhàn)，如熔融金屬難以均勻凝固、流體會(huì)自發(fā)形成球狀、傳統(tǒng)焊接與3D打印工藝面臨重構(gòu)。更棘手的是太空廢料管理，比如漂浮的金屬碎屑可能危及設(shè)備與宇航員安全。此外，太空真空環(huán)境既延緩金屬氧化，又會(huì)導(dǎo)致某些塑料脆化解體。
宇宙輻射則是另一道難關(guān)。失去地球磁場(chǎng)的庇護(hù)，持續(xù)的高能粒子轟擊會(huì)加速材料老化，導(dǎo)致金屬變脆、聚合物降解、電子元件失靈。若要構(gòu)建永久性太空基地，工具、產(chǎn)品甚至棲息地的設(shè)計(jì)必須能夠耐受長(zhǎng)時(shí)間輻射，從而保障太空作業(yè)的安全性和功能性，并確保生命維持系統(tǒng)數(shù)十年如一日穩(wěn)定運(yùn)行。
盡管前路漫漫，但每項(xiàng)技術(shù)突破都在助力人類(lèi)叩開(kāi)太空工業(yè)化的大門(mén)。
