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如果太空制造有边界,那只能是想象力

来源:科技日报2020-08-06 09:35

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  北京时间8月3日凌晨,美国探索技术公司(SpaceX)的载人龙飞船完成了其首次载人飞行,两位宇航员在国际空间站停留了63天后成功返回地球。这不仅是商业航天新时代的“开幕秀”,也意味着更多人距离“上天”探索太空更进一步。

  随着人类探索深空的脚步加快,如何将太空独特的环境为我所用,成了科学家们关注的焦点,“太空制造”就是其一。

  此前有报道称,月球土壤可作为材料3D打印出火箭零部件。近日,刊发在《科学进展》期刊上的一项研究成果让饱受关注的国际空间站又刷了一波存在感,起因是一名宇航员在国际空间站中,利用磁悬浮装置制造出人工人类软骨。

  “厂址”不同生产需求和目的也不同

  提及太空制造,大多数人可能会联想到这样的场景:无重力的飞船舱内,宇航员艰难地挪动着被厚重宇航服包围着的手臂,将一滴金属液体从仪器中挤出,然后看着这颗漂浮在空中的液体凝固成完美的球形,或许还会发出一声“哇”的感叹。

  然而,太空制造可没有想象得这么简单。想要建造一个“太空工厂”,第一步“选址”非常重要。

  中国科学院国家空间科学中心空间天气学国家重点实验室研究员刘勇在接受科技日报记者采访时表示:“太空生产主要包括两种类型,一种是空间站、飞船舱内无重力环境下的生产,还有一种是在其他行星上,比如火星或者小行星上微弱重力环境下进行的生产。确切地说,虽然都是处于太空环境,但这两种类型的生产需求和目的各不相同。”

  刘勇进一步解释说,无重力环境是很多科学实验的理想条件,因为重力会对各类科学实验有不同程度的影响。例如,科学家曾在空间站开展过碳氢化合物、混合燃料的低温燃烧实验研究,并在研究过程中发现了“冷焰”现象,即火焰熄灭以后物质仍然在燃烧。这一发现可在地面提高燃油机的效率并减小污染排放,具有很大应用潜力。但是无重力环境是一种非常特殊的环境,在地面上很难模拟。

  另一种太空生产对应的是行星和小行星开发,即利用小天体或者火星上的矿产资源进行生产。早在2015年,美国就立法允许个人和私营企业探索小行星矿产,为商业开发外太空资源铺路,被业内认为将催生“太空淘金热”。

  “有些小天体含有很丰富的金属矿,不过开采的成本非常大。现在更多的提法是原位利用,在小天体上直接对这些矿产资源进行加工,生产出需要的产品后直接用来进行太空探索。”刘勇说。

  原材料众多产品五花八门

  除了矿产,太空制造可原位利用的原料还有很多,堪称“只有想不到,没有做不到”。甚至于,连大气都能作为生产原料。

  刘勇举例,火星上存在大量的甲烷,将来可能用来作为火箭发动机的燃料,现在SpaceX正在研发以甲烷为燃料的发动机。

  以往探测数据还显示,火星大气中95.9%成分为二氧化碳。经过多年研究,美国国家航空航天局(NASA)已经开发出将火星的二氧化碳转化为氧气的技术。今年美国发射的火星探测器搭载了7个有效载荷,其中就包括名为“火星氧气原位资源利用实验”(MOXIE)的设备,它将从火星大气中收集二氧化碳,然后将二氧化碳分子分解成氧气和一氧化碳。

  刘勇表示,MOXIE这一实验对火星之旅具有重要意义。因为氧气是火箭发动机的主要推进剂,在返回地球时,更大规模的“大气处理器”可以让宇航员轻松离开火星表面。这些“太空造”氧气还可以用来供宇航员呼吸使用,从而进一步节省原定携带氧气所占用的宝贵空间。

  原料众多,“太空工厂”生产出的产品自然也五花八门。除了就地取材、原位生产产出的矿物质产品、能源燃料等,科学家们还在很多领域探索出了不一样的“生产线”。

  例如,已经走进百姓“菜篮子”的“太空辣椒”“太空土豆”等食品,就是利用太空宇宙射线、高真空、微重力等特殊条件,诱发种子染色体畸变,进而导致生物遗传性状的变异,这些“太空造”农产品一方面可被带回地球供科学研究,另一方面,在太空环境下直接生产农产品,也可解决太空人员的食物来源问题。

  近年来,太空3D打印的人体骨骼等生物制品也是学界的热门课题。2018年底,俄罗斯宇航员利用俄罗斯Invitro医疗公司研制的生物3D打印机在国际空间站首次在轨打印了人类软骨组织和啮齿动物的甲状腺组织。美国Allevi公司等也计划在微重力环境下打印生物材料甚至器官。

  当然,诸如高分子材料、金属材料、陶瓷材料等产品都可以在太空中生产,未来还会有更多领域“下海”。就如同浩瀚宇宙藏匿着无数未知一样,未来太空制造的边界或许只能是想象力。

  仍处于起步探索阶段任重道远

  毋庸置疑的是,人们对于太空制造的探索热情十分高涨。

  科技日报记者查阅文献了解到,NASA最早开展太空制造技术研究,也是目前取得研究成果最多的机构,其已在国际空间站部署了多台太空制造设备。而我国作为航天大国,也后续成为了世界上第二个完成微重力环境下制造相关技术试验验证的国家,如使用碳纤维复合材料、陶瓷材料及金属材料完成微重力下的制造实验。

  此外,欧洲航天局、俄罗斯联邦航天局也在该领域投入了大量人力和财力,利用抛物线飞机试验、国际空间站等开展了多项太空制造技术试验,积累了较多的经验。

  那么,为什么各国始终倾心于花费大量人力财力的“太空制造”?

  刘勇表示,除了好奇心和探索欲的驱动外,更重要的是产品性能更优异、更特殊。

  例如,在地面进行的蛋白质分子晶体培养实验中,重力导致的对流和沉积可能抑制晶体的生长。在微重力条件下,对流和沉积作用显著减少,从而可以形成结构更好、体积更大的晶体。一旦这种实验成功,将来也可以进行推广,利用太空的微重力环境生产出具有特殊性能的晶体材料。

  “目前,太空制造和太空生产还处于以探索和试验为主的初级阶段。未来若想真正形成产业化、规模化的‘太空工厂’,恐怕还有很长的路要走。”刘勇表示,如何利用好高真空、低重力和强辐照等复杂使用环境将会是一个长期的重要课题,太空中各类材料的成型机理、特殊现象背后的物理规律也需更为深入地探索。下一步还要在太空生产标准规范、产品质控保障方面下功夫。在做好这些工作的基础上我们可以大胆地设想,在更遥远的未来,我们可以探索建设智能化、无人化太空工厂,甚至移民太空。

  爱因斯坦曾说,想象力比知识更为重要,因为知识是有限的,而想象力概括着世界上的一切,并且是知识进化的源泉。回首每一次科技进步的大潮,不难发现,想象不息、创新不止,相信太空制造也是如此。(于紫月)

[ 责编:武玥彤 ]
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