太空製造漸入佳境

◎本報記者 劉 霞

科學家早已發現，地球軌道上的微重力環境能夠孕育出比地面更優質的產品，這一發現催生了太空製造這一前沿概念。隨着火箭發射成本持續下降，加上製造技術日新月異的發展，太空製造業的星星之火即將呈現燎原之勢。

美國《連線》雜誌描繪了這樣一幅圖景：太空製造正成為探索宇宙與工業生產相結合的變革性領域，或將徹底改寫人類在太空中的生產方式與資源利用模式。

據預測，到2035年，太空製造業將達千億美元產值。在這個獨特的太空工廠裏，人類有望製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。

新材料和生物醫學的天然工廠

《新世界百科全書》將太空製造定義為：在地球以外的特殊環境（如微重力或強真空條件）下生產零部件或材料的過程。

美國內華達大學裏諾分校機械工程系的普拉迪普·梅內塞斯等人在《製造和材料處理》雜誌上撰文指出，太空製造可降低發射成本。在太空直接製造零部件，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，節省了高昂的發射費用。另外，太空製造可按需製造、減少依賴。宇航員可在太空現場製造工具、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，推動可持續的太空探索。

太空的微重力環境也為生產地球上難以實現的高純度材料提供了理想條件。2024年《自然·材料》雜誌報道，國際空間站生產的ZBLAN光纖性能遠超傳統二氧化硅光纖，有望用於高速通信和軍事探測。美國加州理工學院團隊發現，太空製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闢新可能。今年1月，中國科學家宣佈在天宮空間站上製造出一款突破性金屬合金，性能優於地球同類產品。

英國Space Forge公司首席執行官約書亞·威斯特恩指出，太空製造的晶體不僅適用於半導體，還可能催生更高效的藥物。

據美國太空網報道，瓦爾達航空工業公司的W-1太空製造艙已於今年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台太空生物3D打印機，可製造複雜的人體組織。

自主和機器人制造系統潛力巨大

自主化與機器人制造這些尖端系統，能夠直接在外太空製造各類零部件並完成整體裝配，實現從航天器構件、專用工具到太陽能設備等基礎物資的太空本地化生產。以往受限於運載尺寸而無法整體運輸的超大型構件，如今可以在太空直接製造，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。

現代自主製造系統展現出令人驚歎的智能化水平：從材料優選、結構設計到成品製造與質量檢測，整個生產流程無需人工干預。智能質量監控系統通過圖像識別與機械臂協同，能即時捕捉3D打印過程中的壓痕變形、層間錯位等缺陷，並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的自主可重構太空裝配系統堪稱太空機器人制造典範。這些看似小巧的機器人如同太空“樂高大師”，能協作組裝出天線陣列、居住艙乃至完整的太空港設施。這種創新方式完美解決了大型太空結構的地面運輸難題。

隨着技術演進，這些智能製造系統必將成為人類開拓太空的得力夥伴，重塑在地球之外創新求存的發展範式。

降低成本乃當務之急

太空製造仍面臨不少亟待解決的難題。

《連線》雜誌指出，首當其衝的是如何經濟高效地將設備送入太空，並將成品運回地球。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與瓦爾達航空工業公司正在研發可返回地球的無人太空艙，為太空製造鋪就道路，後者業已執行兩次任務展示了其太空艙的運輸能力。

微重力環境也似雙刃劍。它既賦予材料新特性，也帶來諸多挑戰，如熔融金屬難以均勻凝固、流體會自發形成球狀、傳統焊接與3D打印工藝面臨重構。更棘手的是太空廢料管理，比如漂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，從而保障太空作業的安全性和功能性，並確保生命維持系統數十年如一日穩定運行。

儘管前路漫漫，但每項技術突破都在助力人類叩開太空工業化的大門。