据媒体近日报道，我国科学家首次通过中国空间站的实验数据，制造出工业级铌合金，引发人们对空间材料科学的热烈讨论。那么，太空环境有利于帮助科研人员进行哪些类型的材料制备？空间站里都有哪些材料研究设施？未来若想在太空中进行大规模材料制备，还面临哪些技术挑战？

优质环境助力研究

此次工业级铌合金制备取得突破性进展，得益于中国空间站的宝贵实验环境和科研人员的长期投入。3年多来，航天员利用无容器科学实验柜，开展难熔合金材料在微重力条件下的静电悬浮、加热熔化、降温、过冷、凝固、热物理性质测定等实验，帮助地面研究团队获得一系列重要数据和基础科学发现，从而能够在地面制造出符合工业应用要求的铌合金。这对我国航空航天技术发展具有重大意义。

中国空间站无容器材料实验柜示意图

过去，人们对材料的生产实践和机理研究都处于地球重力场中。多数材料的制备要经历从液态到固态的凝固过程，重力带来的浮力对流、沉淀及流体静力学压力等因素，会对材料研究制备产生重要影响。如人们日常使用各类物品的来源材料，大多是多元素组成，在熔化制造过程中，重的元素沉淀，轻的上浮，就造成材料内部结构分层和不均匀，最终对物品性能、质量产生不利影响。

此外，重力场还会掩盖表面张力等次级效应，阻碍人们对材料制备、加工、材料内部结构和性能之间关系的准确理解和认识。

进入航天时代，太空微重力环境为材料制备和研究提供了有利条件。在太空中，重力引起的各种效应基本消失，表面张力和扩散成为主要控制因素。在这种环境下，人们可以制备出地面难以获得、缺陷很少、内部组成分布非常均匀、性能极优的各种材料。

如单晶硅、砷化镓等半导体材料，在地面上形成的块体较小，且因对流影响，晶体纯度和均匀度较差，但它们在太空微重力环境下可以形成块大且均匀度极好的半导体晶体。还有性能更优的难熔合金及高性能合金材料、复合材料、纳米材料、润滑材料等，也在微重力环境下更容易制备。

与此同时，在太空微重力环境下，科研人员可以深入了解空间材料制备和晶体生长的特点，揭示重力对材料凝固等过程的影响及其规律，为改进地面生产工艺、开发新材料提供理论指导，也为在太空中开发和生产新型材料奠定基础。

材料研究“神器”众多

1969年，苏联在联盟6号飞船上开展了空间微重力条件下的焊接和合金熔化凝固实验，开创了利用空间设施研究和制备材料的先河。此后，各国利用卫星、探空火箭、飞船、航天飞机、空间站等，搭载多种设备，开展复合材料、金属合金、陶瓷和玻璃等材料的制备研究，不断取得重要成果。

我国在1987年利用返回式卫星，搭载空间多用途材料加工炉，开展研究实验。经过多年发展和不断积累经验，建造了不少设施。如今，中国空间站配备的高温材料科学实验柜和无容器材料实验柜是新一代具有先进性和综合性的多功能材料科学实验柜，为材料研究提供利器。

高温材料科学实验柜主要用于开展微重力环境下高温材料科学实验研究，加热炉最高温度可达1600摄氏度，被称为“太空炼丹炉”，支持金属合金、半导体光电子材料、纳米和介孔材料、无机功能材料等多种类别材料的熔体生长和凝固科学实验。

该实验柜由柜体和科学实验系统两部分组成。科学实验系统包括高温炉模块、批量样品管理模块、X射线投射成像模块、控制模块等子系统，提供高温材料制备实验、X射线透射成像和实时观察材料实验过程等功能。

无容器材料实验柜是国内首台、国际上第二台在轨运行的同类型设施。它的突出特点是通过静电悬浮技术实现材料的悬空加工，避免材料因接触容器壁，在加工过程中受到污染，从而获得高纯度、非常均匀的物质。

该实验柜由无容器实验平台、真空/加压模块、实验电控模块等组成，实验平台配置了科学实验腔及半导体激光器、二氧化碳激光器、脉冲激光器、单波长测温仪、全景相机等多种观察与物性测量设备，加热温度可达3000摄氏度，可进行金属、非金属等无容器深过冷凝固和热物理性研究，对新型材料研究有着重要意义。

在国际空间站上，用于空间材料制备和科学研究的设备占据了很大比重，较为典型的有材料科学实验柜和无容器实验柜等，前者用于支持微重力环境下金属和合金的凝固、晶体生长、液体相烧结等基础材料科学研究。2024年，欧空局的一台金属3D打印机被送到国际空间站，并成功使用液态不锈钢打印出一小条S型曲线，标志着3D钢铁增材制造在太空中首次实现。

技术挑战仍有很多

空间材料科学于20世纪起步，初期实验表明，空间环境条件下的加工对所有材料性能都有改善，特别是对那些经过熔化、凝固这种液—固状态转变过程制造的金属、合金、玻璃、半导体和各种晶体更为有效。人们因此提出建立空间材料加工厂的设想。

美国宇航局和一些大公司对大规模空间材料制备表现出很高的积极性，对药物、光学玻璃、电子、陶瓷和磁性材料等项目很感兴趣。美国曾提出投资数亿美元，建成3座卫星式空间制药厂，一家微重力研究公司希望投资在太空生产砷化镓，目标年产量2000公斤。

不过，当时空间材料制备多为验证性试验，加工生产技术尚不成熟，大规模制备停留在设想阶段。即使以目前的技术水平生产，也存在建设运营成本过高的问题。

首先是发射方面，将材料、设备和人员运送到太空是一项主要成本。中等规模的空间材料加工厂及其配套设备、材料的总重量可能达到数吨甚至数十吨，单次费用数亿美元。之后随着原材料和成品的每一次天地往返，成本都会持续增加，使太空生产入不敷出。

在生产设备方面，太空工厂需要设计和制造专门的加工设备，以适应恶劣环境。像高精度的微重力晶体生长炉，研发和制造费用高达数千万美元，还要配备各种先进的材料分析仪器、真空系统、温度控制系统等。考虑到设备故障老化、定期维护更新，成本、风险都很高。

在建设场地方面，如果在空间站等现有平台上建设加工厂，需要支付高额的租赁和改造费用，如果独立建设太空平台，建造成本和技术要求可能更高。太空工厂的工作人员也需要经过严格的专业培训，并配备完善的生命保障系统和航天服等设备。此外，还需要考虑能量供应、运营管理等方面的问题。

随着航天技术的快速发展，蓝色起源公司、诺·格公司正在推进近地轨道商业空间站建设，在太空进行大规模材料制备将逐渐成为现实。不过，其中生产的材料，更多可能直接用于在轨基础设施建造，为深空探测、资源开采等提供支撑。

来源/《中国航天报·飞天科普周刊》

文/杨诗瑞

编辑/靳晴