如果太空制造有邊界,那隻能是想象力

於紫月

2020年08月06日08:01  來源:科技日報
 
原標題:如果太空制造有邊界,那隻能是想象力

北京時間8月3日凌晨,美國探索技術公司(SpaceX)的載人龍飛船完成了其首次載人飛行,兩位宇航員在國際空間站停留了63天后成功返回地球。這不僅是商業航天新時代的“開幕秀”,也意味著更多人距離“上天”探索太空更進一步。

隨著人類探索深空的腳步加快,如何將太空獨特的環境為我所用,成了科學家們關注的焦點,“太空制造”就是其一。

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

“廠址”不同生產需求和目的也不同

提及太空制造,大多數人可能會聯想到這樣的場景:無重力的飛船艙內,宇航員艱難地挪動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,或許還會發出一聲“哇”的感嘆。

然而,太空制造可沒有想象得這麼簡單。想要建造一個“太空工廠”,第一步“選址”非常重要。

中國科學院國家空間科學中心空間天氣學國家重點實驗室研究員劉勇在接受科技日報記者採訪時表示:“太空生產主要包括兩種類型,一種是空間站、飛船艙內無重力環境下的生產,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境下進行的生產。確切地說,雖然都是處於太空環境,但這兩種類型的生產需求和目的各不相同。”

劉勇進一步解釋說,無重力環境是很多科學實驗的理想條件,因為重力會對各類科學實驗有不同程度的影響。例如,科學家曾在空間站開展過碳氫化合物、混合燃料的低溫燃燒實驗研究,並在研究過程中發現了“冷焰”現象,即火焰熄滅以后物質仍然在燃燒。這一發現可在地面提高燃油機的效率並減小污染排放,具有很大應用潛力。但是無重力環境是一種非常特殊的環境,在地面上很難模擬。

另一種太空生產對應的是行星和小行星開發,即利用小天體或者火星上的礦產資源進行生產。早在2015年,美國就立法允許個人和私營企業探索小行星礦產,為商業開發外太空資源鋪路,被業內認為將催生“太空淘金熱”。

“有些小天體含有很豐富的金屬礦,不過開採的成本非常大。現在更多的提法是原位利用,在小天體上直接對這些礦產資源進行加工,生產出需要的產品后直接用來進行太空探索。”劉勇說。

原材料眾多產品五花八門

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

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動機的燃料,現在SpaceX正在研發以甲烷為燃料的發動機。

以往探測數據還顯示,火星大氣中95.9%成分為二氧化碳。經過多年研究,美國國家航空航天局(NASA)已經開發出將火星的二氧化碳轉化為氧氣的技術。今年美國發射的火星探測器搭載了7個有效載荷,其中就包括名為“火星氧氣原位資源利用實驗”(MOXIE)的設備,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這一實驗對火星之旅具有重要意義。因為氧氣是火箭發動機的主要推進劑,在返回地球時,更大規模的“大氣處理器”可以讓宇航員輕鬆離開火星表面。這些“太空造”氧氣還可以用來供宇航員呼吸使用,從而進一步節省原定攜帶氧氣所佔用的寶貴空間。

原料眾多,“太空工廠”生產出的產品自然也五花八門。除了就地取材、原位生產產出的礦物質產品、能源燃料等,科學家們還在很多領域探索出了不一樣的“生產線”。

例如,已經走進百姓“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,誘發種子染色體畸變,進而導致生物遺傳性狀的變異,這些“太空造”農產品一方面可被帶回地球供科學研究,另一方面,在太空環境下直接生產農產品,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界的熱門課題。2018年底,俄羅斯宇航員利用俄羅斯Invitro醫療公司研制的生物3D打印機在國際空間站首次在軌打印了人類軟骨組織和嚙齒動物的甲狀腺組織。美國Allevi公司等也計劃在微重力環境下打印生物材料甚至器官。

當然,諸如高分子材料、金屬材料、陶瓷材料等產品都可以在太空中生產,未來還會有更多領域“下海”。就如同浩瀚宇宙藏匿著無數未知一樣,未來太空制造的邊界或許隻能是想象力。

仍處於起步探索階段任重道遠

毋庸置疑的是,人們對於太空制造的探索熱情十分高漲。

科技日報記者查閱文獻了解到,NASA最早開展太空制造技術研究,也是目前取得研究成果最多的機構,其已在國際空間站部署了多台太空制造設備。而我國作為航天大國,也后續成為了世界上第二個完成微重力環境下制造相關技術試驗驗証的國家,如使用碳纖維復合材料、陶瓷材料及金屬材料完成微重力下的制造實驗。

此外,歐洲航天局、俄羅斯聯邦航天局也在該領域投入了大量人力和財力,利用拋物線飛機試驗、國際空間站等開展了多項太空制造技術試驗,積累了較多的經驗。

那麼,為什麼各國始終傾心於花費大量人力財力的“太空制造”?

劉勇表示,除了好奇心和探索欲的驅動外,更重要的是產品性能更優異、更特殊。

例如,在地面進行的蛋白質分子晶體培養實驗中,重力導致的對流和沉積可能抑制晶體的生長。在微重力條件下,對流和沉積作用顯著減少,從而可以形成結構更好、體積更大的晶體。一旦這種實驗成功,將來也可以進行推廣,利用太空的微重力環境生產出具有特殊性能的晶體材料。

“目前,太空制造和太空生產還處於以探索和試驗為主的初級階段。未來若想真正形成產業化、規模化的‘太空工廠’,恐怕還有很長的路要走。”劉勇表示,如何利用好高真空、低重力和強輻照等復雜使用環境將會是一個長期的重要課題,太空中各類材料的成型機理、特殊現象背后的物理規律也需更為深入地探索。下一步還要在太空生產標准規范、產品質控保障方面下功夫。在做好這些工作的基礎上我們可以大膽地設想,在更遙遠的未來,我們可以探索建設智能化、無人化太空工廠,甚至移民太空。

愛因斯坦曾說,想象力比知識更為重要,因為知識是有限的,而想象力概括著世界上的一切,並且是知識進化的源泉。回首每一次科技進步的大潮,不難發現,想象不息、創新不止,相信太空制造也是如此。

(責編:趙竹青、呂騫)