如果未来在太空拥有生产制造的条件，会有什么制造业会比地球发展要好？
设想一下，当人类的脚步真正踏入星辰大海，在太空建立起能够自给自足的生产制造体系时，哪些产业会因此迎来爆炸性的发展，甚至超越地球上的同类呢？这绝非科幻小说里的空想，而是基于物理定律和人类进步的必然推演。
首当其冲，超高精度、超纯净的材料制造将是太空制造业的王者。
在地球上，我们引以为傲的半导体芯片制造，其精度已达到纳米级别。然而，任何一次微小的震动，空气中的尘埃颗粒，甚至是背景辐射，都可能成为毁掉无数精密元件的“幽灵”。太空，尤其是远离行星引力干扰的轨道空间站或深空基地，拥有近乎完美的真空环境和几乎为零的震动。这意味着我们可以实现前所未有的材料纯度。想象一下，生产出来的硅晶圆，其原子排列的规整程度，电阻率的均一性，将是地球上任何洁净室都无法比拟的。这将直接催生出新一代的超高密度、超低能耗的处理器，其计算能力可能会是如今最顶尖芯片的数倍甚至数十倍。
同样，用于精密光学仪器、高能激光器、甚至量子计算机核心部件的晶体生长，在太空的失重环境下，可以消除晶体在生长过程中因重力引起的应力、变形和杂质沉淀。我们可以培养出完美无瑕的单晶体，其折射率、透光率、甚至晶格结构上的完美性，将是地球上难以企图的。这对于天文学观测设备（比如更强大的太空望远镜）、医疗诊断设备（如更高分辨率的成像仪），甚至基础科学研究（如操控原子/电子的精密仪器）都将带来革命性的突破。
其次，极端材料的研发与生产将如虎添翼。
太空的极端环境，如高真空、强辐射、极端温差，虽然对我们是挑战，但对某些材料的形成却是绝佳的“催化剂”。例如，具有超强韧性和轻质的金属合金。通过在太空失重环境下进行合金熔炼和冷却，我们可以精确控制金属晶粒的生长，防止其在凝固过程中发生不规则聚集。这将制造出比地球上任何超合金都要坚固且轻便的材料，比如用于星际飞船外壳、空间站结构、甚至是高性能机械臂的“太空金属”。这些材料将大幅降低太空设备的质量，从而减少发射成本，并提高其在恶劣太空环境中的可靠性。
再者，复杂且精密的三维打印（增材制造）将迎来全新的维度。
在地球上，3D打印虽然发展迅速，但在打印大型、复杂结构，尤其是内部带有精细通道和空腔的零件时，仍会受到重力因素的影响，需要支撑结构，且后处理过程繁琐。在太空的失重环境中，我们可以实现“无支撑”打印，打印出任何角度、任何形状的复杂结构，无论是镂空的 lattice 结构，还是内部集成冷却通道的引擎组件，都将变得轻而易举。这不仅能制造出结构更优化、性能更卓越的航天器部件，还能实现“按需制造”，为太空任务中的设备维修和定制化提供了无限可能。甚至，我们可以直接在太空中打印出复杂的生物组织或器官，为太空中的宇航员提供生命支持。
第三，生物技术与医药制造将在太空寻找到新的蓝海。
在地球上，许多蛋白质的折叠和细胞的生长受到重力的影响，这限制了我们对某些生命过程的深入研究和高效制造。在太空的微重力环境下，细胞可以更均匀地生长，蛋白质可以更自然地折叠，从而生产出更高活性、更高纯度的生物制剂。例如，用于治疗疾病的抗体药物，可能在太空中生产出来时，其结构更完整，活性更高。骨质疏松症是太空旅行的常见问题，但反过来看，微重力环境或许也能帮助我们研究出更有效的治疗骨质疏松的药物，甚至是骨骼再生技术。另外，太空环境本身也可能孕育出一些地球上不存在的微生物或生物分子，为新药研发提供全新的素材。
第四，能源领域的“太空制造”将具有独特优势。
太空拥有取之不尽的太阳能，理论上我们可以建造巨大的太空太阳能发电站，然后在太空中进行组装和维护。这些发电站可以利用太阳能产生清洁能源，并通过微波或激光束定向传输到地球，为地球提供几乎无限的能源。在太空中制造这些大型结构，不仅可以避免地球大气层的损耗，还可以克服地球发射和建造大型结构所面临的物理限制。此外，太空的真空环境也非常有利于高效率的燃料生产与储存，比如氢能的制备与液化，可以更安全、更高效地进行。
当然，这一切的实现都离不开先进的机器人技术、自动化控制系统和材料科学的进步。但一旦这些条件成熟，太空制造业将不再是地球制造业的简单延伸，而是会孕育出全新的、地球上无法想象的产业形态和技术高度。这不仅是生产力的飞跃，更是人类文明向宇宙深处拓展的坚实基石。
首当其冲，超高精度、超纯净的材料制造将是太空制造业的王者。
在地球上，我们引以为傲的半导体芯片制造，其精度已达到纳米级别。然而，任何一次微小的震动，空气中的尘埃颗粒，甚至是背景辐射，都可能成为毁掉无数精密元件的“幽灵”。太空，尤其是远离行星引力干扰的轨道空间站或深空基地，拥有近乎完美的真空环境和几乎为零的震动。这意味着我们可以实现前所未有的材料纯度。想象一下，生产出来的硅晶圆，其原子排列的规整程度，电阻率的均一性，将是地球上任何洁净室都无法比拟的。这将直接催生出新一代的超高密度、超低能耗的处理器，其计算能力可能会是如今最顶尖芯片的数倍甚至数十倍。
同样，用于精密光学仪器、高能激光器、甚至量子计算机核心部件的晶体生长，在太空的失重环境下，可以消除晶体在生长过程中因重力引起的应力、变形和杂质沉淀。我们可以培养出完美无瑕的单晶体，其折射率、透光率、甚至晶格结构上的完美性，将是地球上难以企图的。这对于天文学观测设备（比如更强大的太空望远镜）、医疗诊断设备（如更高分辨率的成像仪），甚至基础科学研究（如操控原子/电子的精密仪器）都将带来革命性的突破。
其次，极端材料的研发与生产将如虎添翼。
太空的极端环境，如高真空、强辐射、极端温差，虽然对我们是挑战，但对某些材料的形成却是绝佳的“催化剂”。例如，具有超强韧性和轻质的金属合金。通过在太空失重环境下进行合金熔炼和冷却，我们可以精确控制金属晶粒的生长，防止其在凝固过程中发生不规则聚集。这将制造出比地球上任何超合金都要坚固且轻便的材料，比如用于星际飞船外壳、空间站结构、甚至是高性能机械臂的“太空金属”。这些材料将大幅降低太空设备的质量，从而减少发射成本，并提高其在恶劣太空环境中的可靠性。
再者，复杂且精密的三维打印（增材制造）将迎来全新的维度。
在地球上，3D打印虽然发展迅速，但在打印大型、复杂结构，尤其是内部带有精细通道和空腔的零件时，仍会受到重力因素的影响，需要支撑结构，且后处理过程繁琐。在太空的失重环境中，我们可以实现“无支撑”打印，打印出任何角度、任何形状的复杂结构，无论是镂空的 lattice 结构，还是内部集成冷却通道的引擎组件，都将变得轻而易举。这不仅能制造出结构更优化、性能更卓越的航天器部件，还能实现“按需制造”，为太空任务中的设备维修和定制化提供了无限可能。甚至，我们可以直接在太空中打印出复杂的生物组织或器官，为太空中的宇航员提供生命支持。
第三，生物技术与医药制造将在太空寻找到新的蓝海。
在地球上，许多蛋白质的折叠和细胞的生长受到重力的影响，这限制了我们对某些生命过程的深入研究和高效制造。在太空的微重力环境下，细胞可以更均匀地生长，蛋白质可以更自然地折叠，从而生产出更高活性、更高纯度的生物制剂。例如，用于治疗疾病的抗体药物，可能在太空中生产出来时，其结构更完整，活性更高。骨质疏松症是太空旅行的常见问题，但反过来看，微重力环境或许也能帮助我们研究出更有效的治疗骨质疏松的药物，甚至是骨骼再生技术。另外，太空环境本身也可能孕育出一些地球上不存在的微生物或生物分子，为新药研发提供全新的素材。
第四，能源领域的“太空制造”将具有独特优势。
太空拥有取之不尽的太阳能，理论上我们可以建造巨大的太空太阳能发电站，然后在太空中进行组装和维护。这些发电站可以利用太阳能产生清洁能源，并通过微波或激光束定向传输到地球，为地球提供几乎无限的能源。在太空中制造这些大型结构，不仅可以避免地球大气层的损耗，还可以克服地球发射和建造大型结构所面临的物理限制。此外，太空的真空环境也非常有利于高效率的燃料生产与储存，比如氢能的制备与液化，可以更安全、更高效地进行。
当然，这一切的实现都离不开先进的机器人技术、自动化控制系统和材料科学的进步。但一旦这些条件成熟，太空制造业将不再是地球制造业的简单延伸，而是会孕育出全新的、地球上无法想象的产业形态和技术高度。这不仅是生产力的飞跃，更是人类文明向宇宙深处拓展的坚实基石。
网友意见
对金属材料制备会有一些帮助
太空环境相对于地球环境来说，主要就是高真空和微重力两个特点。这俩对冶金行业都挺重要的，相比之下人工制造真空环境要简单一点，我就主要说一下微重力吧。
重力偏析
由于合金中各组分的密度不同，在重力的作用下合金会出现重元素下沉、轻元素上浮的情况。这种重力引起的的不均匀性就是重力偏析。
重力偏析对不同的合金带来的影响并不一样，有些合金可以忽略，有些合金则非常严重。比如偏晶合金，由于冷却过程中会有两个互不相溶的液相区从而导致严重的偏析。
比如下面这个就是个典型[1]
这玩意几乎完全不能用嘛......
送炉子上天
既然是重力的原因，那就解决掉重力吧......科学家们就想着能不能把炉子送上天，在微重力环境下搞一搞呢？
20世纪70年代，天空实验室就参与过相关工作，我国的神舟3号和天宫二号也都进行过这方面的研究[2]。当然更多的实验是通过探空火箭和地面模拟实验进行的，比如
- 正交电磁场（电磁力抵消重力）
- 落塔（扔炉子，做自由落体抵消重力）
但是空间试验和模拟实验结果都不理想......合金里确实不上下分层了......人家改这样了......图片来自[2]
So sad......
不过幸运的是材料学家们还是从中找出了一些端倪，比如Marangoni迁移（由温度梯度引起的流体迁移）......
怎么说呢，在有重力的条件下，重力就会导致足够大的偏析......在没重力的情况下，如果凝固时温度梯度太大那么Marangoni迁移导致的偏析可以达到媲美重力的程度......
看样子真的好难啊......
不过幸运的是，对于科学问题而言知道了原因基本上就等于知道了一半的答案，经过若干年的折腾......总算是开花结果了.....
天宫二号送来的捷报
其实早在神舟3号上其实就已经传来了不错的消息，但是还有些瑕疵（试样边缘存在偏析）
2016年10月，天宫二号的材料综合实验装置得到了漂亮的Al-Bi-Sn偏晶合金样品，就是下图[3]
上面是天宫二号的样品，下面是地面对造组样品
均匀性性完全吊打有没有......
可见航天工程的发展对材料科学的发展也是有帮助滴......
参考
- ^ 江鸿翔. 电流作用下偏晶合金连续凝固过程研究. 博士学位论文. 沈阳: 中国科学院金属研究所, 2014. 1–2
- ^ a b 江鸿翔,黎旺,张丽丽,何杰,赵九洲.空间微重力条件下偏晶合金凝固研究进展[J].中国科学:物理学 力学 天文学,2020,50(04):87-94.
- ^ Li W , Jiang H , Zhang L , et al. Solidification of Al-Bi-Sn immiscible alloy under microgravity conditions of space[J]. Scripta Materialia, 2018, 162:426-431.
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