北京時(shí)間8月3日凌晨，美國(guó)探索技術(shù)公司(SpaceX)的載人龍飛船完成了其首次載人飛行，兩位宇航員在國(guó)際空間站停留了63天后成功返回地球。這不僅是商業(yè)航天新時(shí)代的“開幕秀”，也意味著更多人距離“上天”探索太空更進(jìn)一步。

隨著人類探索深空的腳步加快，如何將太空獨(dú)特的環(huán)境為我所用，成了科學(xué)家們關(guān)注的焦點(diǎn)，“太空制造”就是其一。

此前有報(bào)道稱，月球土壤可作為材料3D打印出火箭零部件。近日，刊發(fā)在《科學(xué)進(jìn)展》期刊上的一項(xiàng)研究成果讓飽受關(guān)注的國(guó)際空間站又刷了一波存在感，起因是一名宇航員在國(guó)際空間站中，利用磁懸浮裝置制造出人工人類軟骨。

“廠址”不同生產(chǎn)需求和目的也不同

提及太空制造，大多數(shù)人可能會(huì)聯(lián)想到這樣的場(chǎng)景：無重力的飛船艙內(nèi)，宇航員艱難地挪動(dòng)著被厚重宇航服包圍著的手臂，將一滴金屬液體從儀器中擠出，然后看著這顆漂浮在空中的液體凝固成完美的球形，或許還會(huì)發(fā)出一聲“哇”的感嘆。

然而，太空制造可沒有想象得這么簡(jiǎn)單。想要建造一個(gè)“太空工廠”，第一步“選址”非常重要。

中國(guó)科學(xué)院國(guó)家空間科學(xué)中心空間天氣學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究員劉勇在接受科技日?qǐng)?bào)記者采訪時(shí)表示：“太空生產(chǎn)主要包括兩種類型，一種是空間站、飛船艙內(nèi)無重力環(huán)境下的生產(chǎn)，還有一種是在其他行星上，比如火星或者小行星上微弱重力環(huán)境下進(jìn)行的生產(chǎn)。確切地說，雖然都是處于太空環(huán)境，但這兩種類型的生產(chǎn)需求和目的各不相同。”

劉勇進(jìn)一步解釋說，無重力環(huán)境是很多科學(xué)實(shí)驗(yàn)的理想條件，因?yàn)橹亓?huì)對(duì)各類科學(xué)實(shí)驗(yàn)有不同程度的影響。例如，科學(xué)家曾在空間站開展過碳?xì)浠衔铩⒒旌先剂系牡蜏厝紵龑?shí)驗(yàn)研究，并在研究過程中發(fā)現(xiàn)了“冷焰”現(xiàn)象，即火焰熄滅以后物質(zhì)仍然在燃燒。這一發(fā)現(xiàn)可在地面提高燃油機(jī)的效率并減小污染排放，具有很大應(yīng)用潛力。但是無重力環(huán)境是一種非常特殊的環(huán)境，在地面上很難模擬。

另一種太空生產(chǎn)對(duì)應(yīng)的是行星和小行星開發(fā)，即利用小天體或者火星上的礦產(chǎn)資源進(jìn)行生產(chǎn)。早在2015年，美國(guó)就立法允許個(gè)人和私營(yíng)企業(yè)探索小行星礦產(chǎn)，為商業(yè)開發(fā)外太空資源鋪路，被業(yè)內(nèi)認(rèn)為將催生“太空淘金熱”。

“有些小天體含有很豐富的金屬礦，不過開采的成本非常大?，F(xiàn)在更多的提法是原位利用，在小天體上直接對(duì)這些礦產(chǎn)資源進(jìn)行加工，生產(chǎn)出需要的產(chǎn)品后直接用來進(jìn)行太空探索。”劉勇說。

原材料眾多產(chǎn)品五花八門

除了礦產(chǎn)，太空制造可原位利用的原料還有很多，堪稱“只有想不到，沒有做不到”。甚至于，連大氣都能作為生產(chǎn)原料。

劉勇舉例，火星上存在大量的甲烷，將來可能用來作為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，現(xiàn)在SpaceX正在研發(fā)以甲烷為燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)。

以往探測(cè)數(shù)據(jù)還顯示，火星大氣中95.9%成分為二氧化碳。經(jīng)過多年研究，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)已經(jīng)開發(fā)出將火星的二氧化碳轉(zhuǎn)化為氧氣的技術(shù)。今年美國(guó)發(fā)射的火星探測(cè)器搭載了7個(gè)有效載荷，其中就包括名為“火星氧氣原位資源利用實(shí)驗(yàn)”(MOXIE)的設(shè)備，它將從火星大氣中收集二氧化碳，然后將二氧化碳分子分解成氧氣和一氧化碳。

劉勇表示，MOXIE這一實(shí)驗(yàn)對(duì)火星之旅具有重要意義。因?yàn)檠鯕馐腔鸺l(fā)動(dòng)機(jī)的主要推進(jìn)劑，在返回地球時(shí)，更大規(guī)模的“大氣處理器”可以讓宇航員輕松離開火星表面。這些“太空造”氧氣還可以用來供宇航員呼吸使用，從而進(jìn)一步節(jié)省原定攜帶氧氣所占用的寶貴空間。

原料眾多，“太空工廠”生產(chǎn)出的產(chǎn)品自然也五花八門。除了就地取材、原位生產(chǎn)產(chǎn)出的礦物質(zhì)產(chǎn)品、能源燃料等，科學(xué)家們還在很多領(lǐng)域探索出了不一樣的“生產(chǎn)線”。

例如，已經(jīng)走進(jìn)百姓“菜籃子”的“太空辣椒”“太空土豆”等食品，就是利用太空宇宙射線、高真空、微重力等特殊條件，誘發(fā)種子染色體畸變，進(jìn)而導(dǎo)致生物遺傳性狀的變異，這些“太空造”農(nóng)產(chǎn)品一方面可被帶回地球供科學(xué)研究，另一方面，在太空環(huán)境下直接生產(chǎn)農(nóng)產(chǎn)品，也可解決太空人員的食物來源問題。

近年來，太空3D打印的人體骨骼等生物制品也是學(xué)界的熱門課題。2018年底,俄羅斯宇航員利用俄羅斯Invitro醫(yī)療公司研制的生物3D打印機(jī)在國(guó)際空間站首次在軌打印了人類軟骨組織和嚙齒動(dòng)物的甲狀腺組織。美國(guó)Allevi公司等也計(jì)劃在微重力環(huán)境下打印生物材料甚至器官。

當(dāng)然，諸如高分子材料、金屬材料、陶瓷材料等產(chǎn)品都可以在太空中生產(chǎn)，未來還會(huì)有更多領(lǐng)域“下海”。就如同浩瀚宇宙藏匿著無數(shù)未知一樣，未來太空制造的邊界或許只能是想象力。

仍處于起步探索階段任重道遠(yuǎn)

毋庸置疑的是，人們對(duì)于太空制造的探索熱情十分高漲。

科技日?qǐng)?bào)記者查閱文獻(xiàn)了解到，NASA最早開展太空制造技術(shù)研究,也是目前取得研究成果最多的機(jī)構(gòu)，其已在國(guó)際空間站部署了多臺(tái)太空制造設(shè)備。而我國(guó)作為航天大國(guó)，也后續(xù)成為了世界上第二個(gè)完成微重力環(huán)境下制造相關(guān)技術(shù)試驗(yàn)驗(yàn)證的國(guó)家,如使用碳纖維復(fù)合材料、陶瓷材料及金屬材料完成微重力下的制造實(shí)驗(yàn)。

此外,歐洲航天局、俄羅斯聯(lián)邦航天局也在該領(lǐng)域投入了大量人力和財(cái)力,利用拋物線飛機(jī)試驗(yàn)、國(guó)際空間站等開展了多項(xiàng)太空制造技術(shù)試驗(yàn),積累了較多的經(jīng)驗(yàn)。

那么，為什么各國(guó)始終傾心于花費(fèi)大量人力財(cái)力的“太空制造”?

劉勇表示，除了好奇心和探索欲的驅(qū)動(dòng)外，更重要的是產(chǎn)品性能更優(yōu)異、更特殊。

例如，在地面進(jìn)行的蛋白質(zhì)分子晶體培養(yǎng)實(shí)驗(yàn)中，重力導(dǎo)致的對(duì)流和沉積可能抑制晶體的生長(zhǎng)。在微重力條件下，對(duì)流和沉積作用顯著減少，從而可以形成結(jié)構(gòu)更好、體積更大的晶體。一旦這種實(shí)驗(yàn)成功，將來也可以進(jìn)行推廣，利用太空的微重力環(huán)境生產(chǎn)出具有特殊性能的晶體材料。

“目前，太空制造和太空生產(chǎn)還處于以探索和試驗(yàn)為主的初級(jí)階段。未來若想真正形成產(chǎn)業(yè)化、規(guī)?；?lsquo;太空工廠’，恐怕還有很長(zhǎng)的路要走。”劉勇表示，如何利用好高真空、低重力和強(qiáng)輻照等復(fù)雜使用環(huán)境將會(huì)是一個(gè)長(zhǎng)期的重要課題，太空中各類材料的成型機(jī)理、特殊現(xiàn)象背后的物理規(guī)律也需更為深入地探索。下一步還要在太空生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、產(chǎn)品質(zhì)控保障方面下功夫。在做好這些工作的基礎(chǔ)上我們可以大膽地設(shè)想，在更遙遠(yuǎn)的未來，我們可以探索建設(shè)智能化、無人化太空工廠，甚至移民太空。

愛因斯坦曾說，想象力比知識(shí)更為重要，因?yàn)橹R(shí)是有限的，而想象力概括著世界上的一切，并且是知識(shí)進(jìn)化的源泉。回首每一次科技進(jìn)步的大潮，不難發(fā)現(xiàn)，想象不息、創(chuàng)新不止，相信太空制造也是如此。(于紫月)