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太空制造,小荷已露尖尖角

时间:2018-05-22 21:31 来源:科技日报 作者: 点击:

  对于人类来说,太空是危险之地:微重力使体液流动异常并让肌肉变弱;辐射会穿过DNA,威胁人体健康;此外,真空环境也是一大考验。但对于一些物品制造来说,太空或许是个完美的场所:在太空制造的物品缺陷更少、质量更高,晶体在太空也可以长得更大等。

  美国太空网近日报道称,随着航天飞行成本不断下降以及3D打印技术的不断发展,将会有更多材料在太空中制造出来。它们不仅让人类在地球上获得性能更优异的产品,带来巨大的收益,还会促进太空事业的大踏步发展。

  太空制造 材料缺陷更少

  在微重力环境下制造物品可以减少材料的缺陷。太空制造公司(Made In Space)可谓是太空制造物品领域的第一批“吃螃蟹者”。该公司总裁兼首席执行官安德鲁·拉什说,在太空中,微重力可以让材料在没有障碍的情况下生长;在没有传统支撑的情况下均匀混合并附着在一起;超高真空也有助于形成毫无杂质的材料。因此,许多人对微重力制造青睐有加。

  目前,太空制造的主要候选对象是被称为“超纯氟化物(ZBLAN)”的特殊光纤。ZBLAN主要用于医疗产品、光纤激光器和近红外等领域。这种材料具有比硅更高的红外透射性,但由重力引起的缺陷妨碍了其在远程通信、高速互联网等更广泛领域的应用。根据美国国家航空航天局的研究,在微重力环境中制造ZBLAN有可能防止出现这些缺陷。

  拉什说:“选择ZBLAN光纤在太空中进行实验性生产,是因为其每公斤的材料价值远远高于当下的发射成本,而且它在地球上已经有了一个强大的市场。”该公司于去年12月向国际空间站发送了一台微波炉大小的机器,用于测试制造至少100米ZBLAN光纤。

  美国国家航空航天局马歇尔太空飞行中心材料科学家丹尼斯·塔克也指出:“太空制造公司这样做是因为有巨大的经济回报,如果真的可以让光纤的质量比硅石至少提高一个数量级,那将会是数十亿美元的回报,并带来很多潜在应用:光纤放大器,用于切割、钻孔和手术等的激光器等等。”他希望太空制造能够成为第一个真正的太空产业。

  研究人员指出,其他材料的制造也可能受益于微重力环境,比如用于制造LED的氮化镓。太空科学进步中心首席科学家兰迪·吉尔斯解释,微重力环境也可以减少这种材料的缺陷。

  另外,科学家几年前利用美国国家航空航天局的航天飞机轨道器进行的实验,也为太空制造的拥趸们提供了乐观的理由。当时,研究人员在航天飞机尾部挂了一个名为“尾区屏蔽装置”的不锈钢圆盘,营造出一个真空环境,并在其中制造出了更薄、更纯净的半导体材料样品。

  太空生长 晶体更大更纯

  业界人士表示,在微重力下,晶体可以变得更大。在一个实验中,由蛋白质制成的晶体平均增长到6立方毫米;而地球上只有0.5立方毫米。一旦晶体长大,科学家可以分析这些晶体,确定蛋白质的3D结构,有助于新药研发。其他晶体,如用于制造药物或检测伽马射线和中子的晶体,也可以在太空变得更大更纯净。

  有些金属合金和玻璃只有在微重力环境下才能研制出来——至少是大量研制出来。研究人员解释,在微重力环境下,材料的结晶速度更慢,科学家可以将金属等物质“诱导”成无定形的类似玻璃的形式,这些金属玻璃可以在更低的温度下成型,非结晶结构也使其格外坚固,且具有超强的耐腐蚀性。其中一种称为“液态金属”(Liquidmetal)的金属玻璃,由美国国家航空航天局喷气推进实验室、美国能源部和加州理工学院联合开发,强度是钛的两倍。

  专家指出,这种合金和金属玻璃有一天可被用于制造坚硬且易于塑型的、抵挡航天器碎片的盾牌、镶板、镜子等,并有助地球制造业的发展。

  此外,太空可能也是培育身体器官的理想之地。在没有重力的情况下,细胞可以生长成更大的网络。

  太空3D打印 方兴未艾

  与在太空制造物品又拿回地球使用不同,太空制造的另一个热点是直接在太空造出太空探索所需的物品。

  由于运载火箭的成本和体积限制,诸如太空望远镜这样巨大的器材很难从地球运往国际空间站,在一定程度上阻碍了人类探索太空的进程。如果可以将材料运送至太空,并在国际空间站进行生产和制造,情况将大大改观。在这一领域,3D打印技术将大有可为。

  早在2014年,世界首台太空3D打印机就在国际空间站安装成功,先后打印出一系列太空专用零部件,揭开了人类“太空制造”的新时代。

  目前,太空制造公司已经使用3D打印机在空间站上制造出大型结构,但该公司的愿景更宏大:在太空直接打印出太空望远镜或太阳能电池板等大型结构。

  而美国国家航空航天局的目标则是在太空中直接打印出整枚卫星,经由“太空零件厂”生产组装后,直接投放到运行轨道。此外,欧洲航天局也开始探索利用3D打印技术在未来建造月球基地。太空3D打印将给人类太空探索事业的供给和支持方式带来巨大变革,也将为空间飞行提供更加宽广的平台。