為什麼頂尖大國不惜砸鍋賣鐵也要去太空做實驗？_風聞

造就第419位講者****艾飛

中國科學院上海硅酸鹽研究所

空間材料科學與實驗技術課題組長

中國科學院太空製造技術重點實驗室副主任

剛過去的2018年，對於全世界的航天人來説都是波瀾壯闊的一年。

不僅是商業航天的元年，這一年，在時隔27年後，人類的航天發射次數再一次突破了100次大關，而上一次還得追溯到1991年。

2018年，我們中國的航天發射次數以39次的成績，首次超過美國的34次。

今天很多人意識到，航天不僅僅是走出地球搖籃的必經之路，也不僅僅是為了滿足探索未知宇宙的好奇心。實際上決定着我們整個人類的終極命運。

太空實驗室裏的日常

過去幾十年的太空探索，不但極大地拓展了全人類認知的邊界，收穫了不少造福地球生活的新發明，也積累了一系列飛往宇宙深處的關鍵技術。

在這當中，國際空間站是持續開展太空科學探索的典型代表和集大成者，也是人類的凌霄寶殿，可以把它想象成是懸浮在太空中的一個超大號實驗室。

宇航員整天在國際空間站裏都忙碌哪些科學實驗呢？可以舉兩個形象一點的例子。

第一個是植物研究，比如在太空中如何解決長期的口糧問題。

第二個是材料研究，利用太空的特殊環境，希望可以合成一些新型的材料、改變人類的生活。

很多人關心，為什麼要千里迢迢地在太空中去做材料科學實驗呢？

這幾張是地面上常見的現象，浮力、對流、沉降和靜水壓，它們產生的主要原因就是地球的重力作用，這些效應在材料合成的時候容易造成組份的不均勻、分層、缺陷，最終材料的質量和性能就不會太好。

比如説沉降效應，我們日常中用的東西大多數是兩種以上的元素組成的，在熔化製造它的時候，重的、密度大的元素往下沉，輕的在上面，最後整個材料上下就不均勻甚至分層了，這樣它的性能就不會太好。

材料科學家天然本能地有點討厭這種圖形，但偏偏在地面常常很難避免，他們最想得到的結構圖形實際上有點像這個火龍果，裏面的黑點是均勻分佈的。

我們知道在太空微重力的環境下，物體顆粒可以呈現懸浮的狀態，所以火龍果式的結構是很容易獲得的。

致命的太空為什麼又是最稀缺的資源？

太空特殊的環境裏其實藴含了極大的寶藏，對於材料實驗來説特別有用。

太空一般是指距離地面100公里以外這樣一個外層的宇宙空間，在卡門線以外的太空中有什麼特點？

第一是微重力。人所感受到的重力是地球表面的萬分之一、十萬分之一，甚至更小。

第二是超高真空。沒有可以呼吸的空氣，在一個冰箱這麼大的體積裏面你能找到的，也就是幾個原子或分子。

第三是超潔淨、一塵不染。所以不用打掃衞生了，也絕對不會吸到霧霾了。

第四是強輻射。在大氣層以外，紫外線以及高能宇宙射線都非常致命，所以你抹這個防曬霜什麼的，肯定沒有用。

第五是超低温。動不動就是零下兩百多度，非常冷。

這一點我們的蘇軾老祖宗，雖然他沒有去過太空，但他説得是對的，有一首詞《水調歌頭》説：“唯恐瓊樓玉宇，高處不勝寒。”

這樣一看，太空不是很危險嗎？沒法待呀，怎麼還藴含寶藏了呢？

實際上，這每一種極端特殊的條件對於科學技術的探索都非常有用，而在地面上普通的技術手段卻非常難以實現。

幾十年來，世界上各個航天大國都紛紛搶佔太空的制高點，來尋求太空資源利用和開發，有了太空這樣非常特殊的條件，科學家才可以在上面大展身手、嘗試各種新的探索。

到今天，我們可以基本上了解到在太空中做材料合成有不少的好處，因為在太空微重力下，有希望能夠獲得更高完整性、更高均勻性、更高純度、更大尺度的材料樣品。通俗來講，材料的質量和性能在太空中要比地上要更好。

昨天、今天、明天

太空中的第一次材料實驗是蘇聯人做的，也就是在美國人首次登月之後的三個月，1969年的10月，他們在聯盟六號飛船上進行了金屬材料的焊接實驗，這個是任務的徽章。

兩年以後，美國人在阿波羅十四號上做了一個複合材料的鑄造實驗。這是他們的第一次。

再過了16年，我們中國才在第九顆返回式衞星上開展了首次材料實驗。之後整個90年代，我們利用衞星又先後進行了五次類似的實驗。

到了這個世紀初，我們在神舟二號、三號飛船上又開展了一系列的空間晶體的生長、觀察和材料合成實驗；之後在神舟七號飛船上做了固體潤滑材料的空間環境實驗；在天宮一號上面進行了膠體晶體的材料生長實驗。

最近的2016年，我們在實踐十號衞星以及天宮二號空間實驗室上面，開展了迄今為止我國最大規模的、最長時間的材料實驗研究。

到目前為止，美國、俄羅斯、歐洲，也完成了上千次的太空材料實驗，所以我們國家整體上到太空做實驗的次數還是偏少，機會非常寶貴。

國際空間站是從1994年開始建設，到2011年才完全建成，有16個國家參與。目前美國、俄羅斯、歐洲、日本在國際空間站上建立了多種多樣先進的實驗裝備，開展了深入的材料科學研究，收穫頗豐。

可以説，國際空間站是人類科學技術和大型建造工程的結晶。但非常遺憾，它即將於2024年退役。

我們國家在天宮二號實驗室之後進入了一個空間站的建設階段，目前正在緊鑼密鼓地開展設計和研製工作，預計到2022年就會翱翔在太空。

我們的建造時間算下來是三到四年，遠遠少於國際空間站的17年，這也體現了我們中國速度和中國效率。

到2024年國際空間站退役之後，中國的空間站就將是整個太空中唯一的空間站了。

我們國家最近的一次實驗，是在天宮二號空間實驗室上完成的，開展實驗的這套裝備叫綜合實驗材料裝置。

實際上它是三兄弟。所謂的八卦煉丹爐是大哥，學名叫材料實驗爐，我們給它取了一個外號叫“火種”。它能提供一個高温的熱環境，其核心的温度很高，材料實驗就是在它裏面完成的。

還有二哥，叫材料電控箱，是系統控制和運行的大腦，神機妙算，所以我們也取了一個外號叫“智機”。

三弟是材料樣品帶，這個是航天員更換和回收樣品要用到它，外號“探囊”，希望航天員取放樣品的時候，如同探囊取物一樣方便。

這是我們在神舟三號飛船上製備的材料結果之一。這是一種被稱為硅酸鉍的黃色晶體，上面是地面生長的，下面是太空生長的，右邊對應的是顯微鏡照片，黑色表示材料裏面的一種缺陷。

通過分析我們發現，太空中生長的晶體相比地面的晶體，缺陷密度低了一個數量級，結晶性更好。太空晶體的可見光的波段透過率比地面又有10%的提高。

從這個方面看，太空中製備的材料，質量和性能確實都更好。

這個是另外一種材料的結果，是一種叫鋁鎳合金，上面是太空中製備的，下面是地面製備的，右邊是剖開的斷面照片。

可以看出來，太空中的鋁合金表面更光滑，內部也更均勻緻密，明顯比地面的材料更好。

一代材料，一代器械，一代裝備和產品

作為最最基礎的材料，它其實一直在改變我們的生活。比如説目前大尺寸的、高質量的單晶硅，它實際上是用了旋轉磁場技術，還有一些其他新型的半導體。

還有地面上開發了各種新型的懸浮加熱技術，都得益於在太空中實驗的結果。比如説新型的發動機的高温渦輪葉片，高性能的熱電能源材料，高圓度的滾珠軸承材料。

還有新型光通信的材料。

我們還可以大膽地發揮想象，未來太空中的材料工廠也可能會是這樣的。比如説，在太空中直接進行材料的3D打印、生產產品，針對某些非常有用的材料，在專門的太空實驗室裏面進行製造。

人類要進軍外太空，將來完全有可能是這樣的畫面，在某一個小行星上面直接建材料工廠，就地取材、就地製造。這些其實都不是天方夜談。

人類的文明史其實就是材料的進化史。從最開始簡陋的陶土到現在先進的半導體，從沉重的青銅器到輕盈的石墨烯，無不傾注着人類對材料製造工藝和性能的世代追求。

**科幻中那些更強韌、更輕盈、更智能的通天法寶，回到其本源和核心，多半都指向了材料問題。**比如説孫悟空齊天大聖的如意金箍棒，美國隊長的盾牌、雷神之錘，金剛狼的利爪，還有蜘蛛俠的超強蛛絲等等，都是材料問題。

今天以馬斯克為代表的商業航天已經如火如荼，我們從來沒有像現在這樣，把目光轉向了地球之外，對我們的太空對未來滿懷極大的好奇心。

我們盼望着通過太空問道、潛心探究，能夠獲取材料製造的終極密碼。人類文明必將因為材料的持續升級，邁入一個嶄新的紀元。

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