太空制造 小荷已露尖尖角
蛋白质和病毒晶体。其中许多是在美国航天飞机上或俄罗斯和平号空间站上生长的,微重力环境下生长的晶体比地球上的更大更纯净。图片来源:美国太空网
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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NASA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。
NASA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NASA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NASA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NASA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。
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