太空制造渐入佳境

2024年，瓦尔达航空工业公司(gōngsī)首个地外制造舱在重返地球大气层时捕捉到的景象。图片(túpiàn)来源：瓦尔达航空工业公司 科学家早已发现(fāxiàn)，地球轨道上的(de)微重力环境能够孕育出比地面更优质的产品，这一(zhèyī)发现催生了太空制造这一前沿概念。随着火箭发射成本持续下降，加上制造技术日新月异的发展，太空制造业的星星之火即将呈现(chéngxiàn)燎原之势。 美国《连线》杂志描绘了这样一幅图景：太空制造正成为探索宇宙与工业生产(gōngyèshēngchǎn)相结合的(de)变革性领域，或将彻底改写人类在太空中(zhōng)的生产方式与资源利用模式。 据预测，到2035年，太空制造业将达千亿美元产值。在这个独特的太空工厂里，人类有望制造出纯度更(gèng)(gèng)高的光纤、更完美的半导体晶体(jīngtǐ)，以及更有效的抗癌药物。 新材料(cáiliào)和生物医学的天然工厂 《新世界百科全书》将太空(tàikōng)制造定义为：在地球以外的特殊环境（如微重力或强真空条件）下生产(shēngchǎn)零部件或材料的过程。 美国内华达大学里诺分校机械工程系的普拉迪普(dípǔ)·梅内塞斯等人在《制造和材料(cáiliào)处理》杂志上撰文指出，太空(tàikōng)(tàikōng)制造可降低(jiàngdī)发射成本(chéngběn)。在太空直接制造零部件，可大幅减少从(cóng)地球运送完整结构的负担，从而减轻火箭的有效载荷，节省了高昂的发射费用。另外，太空制造可按需制造、减少依赖。宇航员可在太空现场制造工具、更换(gēnghuàn)零件，而不必完全依赖预先携带的备件(bèijiàn)。这不仅缩短了设备维修的等待时间，还提升了任务的灵活性。而且，通过回收材料、利用月球土壤（风化层）、火星尘埃甚至太空碎片，人类可以就地取材，减少对地球补给的依赖，推动可持续的太空探索。 太空的微重力环境也为(wèi)生产(shēngchǎn)地球上难以实现的高纯度(gāochúndù)材料提供了(le)理想条件。2024年《自然·材料》杂志报道，国际空间站生产的ZBLAN光纤性能远超传统二氧化硅光纤，有望用于高速通信(gāosùtōngxìn)和军事探测。美国加州理工学院团队发现(fāxiàn)，太空制造的半导体晶体缺陷率降低了85%以上，为下一代芯片技术开辟新可能。今年1月(yuè)，中国科学家宣布在天宫空间站上制造出一款突破性金属合金，性能优于地球同类产品。 英国Space Forge公司首席执行官约书亚·威斯特恩指出，太空制造的晶体不仅适用于半导体，还可能催生更(gèng)高效(gāoxiào)的药物。 据美国太空网报道，瓦尔达航空工业公司的W-1太空制造舱已于今年2月返回地球，其携带有独特(dútè)的有效载荷——利托那韦的晶体。这种蛋白酶抑制剂不仅能(néng)延缓艾滋病病毒扩散(kuòsàn)，更是新冠治疗的重要药物。该公司表示，此类产品的市场潜力(shìchǎngqiánlì)和健康益处“不可估量”。 太空还是3D打印人体器官的(de)最佳地点：在微重力(wēizhònglì)条件下培养的细胞不会形成二维层，且(qiě)能在没有支架的情况下保持理想形状。2019年，国际空间站部署了(le)全球首台太空生物3D打印机，可制造复杂的人体组织。 自主和机器人(jīqìrén)制造系统潜力巨大 自主化与机器人制造这些尖端系统，能够直接在外太空(tàikōng)制造各类零部件并完成整体(zhěngtǐ)装配，实现(shíxiàn)从航天器构件(gòujiàn)、专用工具到太阳能设备(shèbèi)等基础物资的太空本地化生产。以往受限于运载尺寸而无法整体运输的超大型构件，如今可以在太空直接制造，为月球基地建设、火星驻留任务以及深空探索提供了关键支撑。 现代自主制造系统展现出令人惊叹(lìngrénjīngtàn)的智能(néng)化水平：从材料(cáiliào)优选、结构设计到成品(chéngpǐn)制造与质量检测，整个生产流程无需人工干预。智能质量监控系统通过图像识别与机械臂协同，能实时捕捉3D打印过程(guòchéng)中的压痕变形、层间错位等(děng)缺陷，并立即进行太空原位修复。这种“自诊断—自修复”能力不仅大幅降低材料损耗，更避免了将故障部件运回地球的高昂代价。 美国国家航空航天局研发的自主可重构太空(tàikōng)装配系统堪称太空机器人制造典范。这些看似小巧(xiǎoqiǎo)的机器人如同太空“乐高大师”，能协作组装出天线阵列、居住舱乃至(nǎizhì)完整的太空港设施。这种(zhèzhǒng)创新方式完美解决了大型太空结构的地面运输难题。 随着技术演进，这些智能制造系统(xìtǒng)必将成为人类开拓太空的(de)得力伙伴，重塑在地球之外创新求存的发展范式。 太空制造仍面临不少亟待解决的(de)难题。 《连线》杂志指出，首当其冲的是如何经济高效地将设备送入太空，并将成品运回地球。令人(lìngrén)欣喜(xīnxǐ)的是，SpaceX的猎鹰9号火箭(huǒjiàn)已大幅降低了太空运输成本，而Space Forge与瓦尔达航空工业公司(gōngsī)正在研发(yánfā)可返回地球的无人太空舱，为太空制造铺就道路，后者业已执行两次任务展示了其太空舱的运输能力。 微重力环境也似双刃剑。它既赋予材料新特性(tèxìng)，也带来诸多挑战，如熔融金属(jīnshǔ)难以均匀凝固、流体会自发形成球状、传统焊接与(yǔ)3D打印工艺面临重构。更棘手的是太空废料(fèiliào)管理，比如漂浮的金属碎屑可能危及设备与宇航员安全。此外，太空真空环境既延缓金属氧化，又会导致某些塑料(sùliào)脆化解体。 宇宙辐射(fúshè)则是另一道难关。失去地球磁场的庇护，持续的高能粒子(lìzi)轰击会加速材料老化，导致金属变脆、聚合物降解、电子元件失灵(shīlíng)。若要构建永久性太空基地，工具、产品(chǎnpǐn)甚至栖息地的设计必须能够耐受长时间辐射，从而保障太空作业的安全性和功能性(gōngnéngxìng)，并确保生命维持系统数十年如一日稳定运行。 尽管(jǐnguǎn)前路漫漫，但每项技术突破(tūpò)都在助力人类叩开太空工业化的大门。