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科學家早已發(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。
美國《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)相結合的變革性領域，或將徹底改寫人類在太空中的生產(chǎn)方式與資源利用模式。
據(jù)預測，到2035年，太空制造業(yè)將達千億美元產(chǎn)值。在這個獨特的太空工廠里，人類有望制造出純度更高的光纖、更完美的半導體晶體，以及更有效的抗癌藥物。
新材料和生物醫(yī)學的天然工廠
《新世界百科全書》將太空制造定義為：在地球以外的特殊環(huán)境（如微重力或強真空條件）下生產(chǎn)零部件或材料的過程。
美國內(nèi)華達大學里諾分校機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，可大幅減少從地球運送完整結構的負擔，從而減輕火箭的有效載荷，節(jié)省了高昂的發(fā)射費用。另外，太空制造可按需制造、減少依賴。宇航員可在太空現(xiàn)場制造工具、更換零件，而不必完全依賴預先攜帶的備件。這不僅縮短了設備維修的等待時間，還提升了任務的靈活性。而且，通過回收材料、利用月球土壤（風化層）、火星塵埃甚至太空碎片，人類可以就地取材，減少對地球補給的依賴，推動可持續(xù)的太空探索。
太空的微重力環(huán)境也為生產(chǎn)地球上難以實現(xiàn)的高純度材料提供了理想條件。2024年《自然·材料》雜志報道，國際空間站生產(chǎn)的ZBLAN光纖性能遠超傳統(tǒng)二氧化硅光纖，有望用于高速通信和軍事探測。美國加州理工學院團隊發(fā)現(xiàn)，太空制造的半導體晶體缺陷率降低了85%以上，為下一代芯片技術開辟新可能。今年1月，中國科學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)于地球同類產(chǎn)品。
英國Space Forge公司首席執(zhí)行官約書亞·威斯特恩指出，太空制造的晶體不僅適用于半導體，還可能催生更高效的藥物。
據(jù)美國太空網(wǎng)報道，瓦爾達航空工業(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散，更是新冠治療的重要藥物。該公司表示，此類產(chǎn)品的市場潛力和健康益處“不可估量”。
太空還是3D打印人體器官的最佳地點：在微重力條件下培養(yǎng)的細胞不會形成二維層，且能在沒有支架的情況下保持理想形狀。2019年，國際空間站部署了全球首臺太空生物3D打印機，可制造復雜的人體組織。
自主和機器人制造系統(tǒng)潛力巨大
自主化與機器人制造這些尖端系統(tǒng)，能夠直接在外太空制造各類零部件并完成整體裝配，實現(xiàn)從航天器構件、專用工具到太陽能設備等基礎物資的太空本地化生產(chǎn)。以往受限于運載尺寸而無法整體運輸?shù)某笮蜆嫾?，如今可以在太空直接制造，為月球基地建設、火星駐留任務以及深空探索提供了關鍵支撐。
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、結構設計到成品制造與質(zhì)量檢測，整個生產(chǎn)流程無需人工干預。智能質(zhì)量監(jiān)控系統(tǒng)通過圖像識別與機械臂協(xié)同，能實時捕捉3D打印過程中的壓痕變形、層間錯位等缺陷，并立即進行太空原位修復。這種“自診斷—自修復”能力不僅大幅降低材料損耗，更避免了將故障部件運回地球的高昂代價。
美國國家航空航天局研發(fā)的自主可重構太空裝配系統(tǒng)堪稱太空機器人制造典范。這些看似小巧的機器人如同太空“樂高大師”，能協(xié)作組裝出天線陣列、居住艙乃至完整的太空港設施。這種創(chuàng)新方式完美解決了大型太空結構的地面運輸難題。
隨著技術演進，這些智能制造系統(tǒng)必將成為人類開拓太空的得力伙伴，重塑在地球之外創(chuàng)新求存的發(fā)展范式。
降低成本乃當務之急
太空制造仍面臨不少亟待解決的難題。
《連線》雜志指出，首當其沖的是如何經(jīng)濟高效地將設備送入太空，并將成品運回地球。令人欣喜的是，SpaceX的獵鷹9號火箭已大幅降低了太空運輸成本，而Space Forge與瓦爾達航空工業(yè)公司正在研發(fā)可返回地球的無人太空艙，為太空制造鋪就道路，后者業(yè)已執(zhí)行兩次任務展示了其太空艙的運輸能力。
微重力環(huán)境也似雙刃劍。它既賦予材料新特性，也帶來諸多挑戰(zhàn)，如熔融金屬難以均勻凝固、流體會自發(fā)形成球狀、傳統(tǒng)焊接與3D打印工藝面臨重構。更棘手的是太空廢料管理，比如飄浮的金屬碎屑可能危及設備與宇航員安全。此外，太空真空環(huán)境既延緩金屬氧化，又會導致某些塑料脆化解體。
宇宙輻射則是另一道難關。失去地球磁場的庇護，持續(xù)的高能粒子轟擊會加速材料老化，導致金屬變脆、聚合物降解、電子元件失靈。若要構建永久性太空基地，工具、產(chǎn)品甚至棲息地的設計必須能夠耐受長時間輻射，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)定運行。
盡管前路漫漫，但每項技術突破都在助力人類叩開太空工業(yè)化的大門。
記者 劉霞
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