如果未來在太空擁有生產製造的條件，會有什麼製造業會比地球發展要好？
有什麼必須在太空(或微重力）才能製造的產品？（藉助太空微重力環境和高真空度生產地球難以製造的高品質產品）又或者會有哪些行業比在地球要發達？
對金屬材料製備會有一些幫助
太空環境相對於地球環境來說，主要就是高真空和微重力兩個特點。這倆對冶金行業都挺重要的，相比之下人工製造真空環境要簡單一點，我就主要說一下微重力吧。
重力偏析
由於合金中各組分的密度不同，在重力的作用下合金會出現重元素下沉、輕元素上浮的情況。這種重力引起的的不均勻性就是重力偏析。
重力偏析對不同的合金帶來的影響並不一樣，有些合金可以忽略，有些合金則非常嚴重。比如偏晶合金，由於冷卻過程中會有兩個互不相溶的液相區從而導致嚴重的偏析。
比如下面這個就是個典型[1]
這玩意幾乎完全不能用嘛......
送爐子上天
既然是重力的原因，那就解決掉重力吧......科學家們就想著能不能把爐子送上天，在微重力環境下搞一搞呢？
20世紀70年代，天空實驗室就參與過相關工作，我國的神舟3號和天宮二號也都進行過這方面的研究[2]。當然更多的實驗是通過探空火箭和地面模擬實驗進行的，比如
- 正交電磁場（電磁力抵消重力）
- 落塔（扔爐子，做自由落體抵消重力）
但是空間試驗和模擬實驗結果都不理想......合金里確實不上下分層了......人家改這樣了......圖片來自[2]
So sad......
不過幸運的是材料學家們還是從中找出了一些端倪，比如Marangoni遷移（由溫度梯度引起的流體遷移）......
怎麼說呢，在有重力的條件下，重力就會導致足夠大的偏析......在沒重力的情況下，如果凝固時溫度梯度太大那麼Marangoni遷移導致的偏析可以達到媲美重力的程度......
看樣子真的好難啊......
不過幸運的是，對於科學問題而言知道了原因基本上就等於知道了一半的答案，經過若干年的折騰......總算是開花結果了.....
天宮二號送來的捷報
其實早在神舟3號上其實就已經傳來了不錯的消息，但是還有些瑕疵（試樣邊緣存在偏析）
2016年10月，天宮二號的材料綜合實驗裝置得到了漂亮的Al-Bi-Sn偏晶合金樣品，就是下圖[3]
上面是天宮二號的樣品，下面是地面對造組樣品
均勻性性完全吊打有沒有......
可見航天工程的發展對材料科學的發展也是有幫助滴......
參考
- ^江鴻翔. 電流作用下偏晶合金連續凝固過程研究. 博士學位論文. 瀋陽: 中國科學院金屬研究所, 2014. 1–2
- ^ab江鴻翔,黎旺,張麗麗,何杰,趙九洲.空間微重力條件下偏晶合金凝固研究進展[J].中國科學:物理學 力學 天文學,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.
太空製造最重要的是半導體，包括手機、PC、超級計算機晶元和光伏電池，半導體材料本身的高價值低重量能抵消昂貴的運費——畢竟高端處理器晶元能賣1000美元以上，英特爾的Xeon Platinum處理器甚至很多型號價格超過10,000美元，IBM的Power系列更是天價。這些薄薄一片幾十克重的晶元如此值錢，哪怕運費2000美元/千克，在太空製造高端半導體也是穩賺不虧，可以說是點沙成金。
現在我們的生活離不開形形色色的數碼產品從手機、PC到網路運行的伺服器、天氣預報使用的超級計算機等，數碼產品的心臟是各種晶元例如CPU、GPU等，而這些晶元的基礎來自硅晶體切下的晶圓。晶體越大切下的晶圓直徑也越大，意味著邊緣裁切而損失的區塊相對於總可用面積越小，因而提升了良品率降低了成本。
同時在太空微重力環境下由於沒有重力的影響包括對流，晶體能生長的比地面更大而且更均勻，微重力下可以懸浮加工能避免容器、輸送管路等可能造成的污染，進一步提升品質。說不定以後太空製造的CPU的體質好到片片都能超頻圖片10Ghz大關（散熱器廠商成最大贏家）。
當然太空製造晶圓的工藝可能會和目前地面廣泛使用的拉拔生長有所不同。除了半導體晶圓外半導體薄膜外延工藝也是太空製造的受益者，可用於先進感測器、可能還有高效光伏發電等用途。和平號空間站的晶體號艙段就配有多台半導體製造加工爐，美國太空梭任務里也有過半導體材料製造實驗，除了獨特的優勢外太空製造半導體也有獨特的麻煩，稀薄的地球高層大氣中氧分子被紫外線裂解成化學性質更活潑有腐蝕性的原子氧、宇宙射線高能粒子也會對半導體材料造成損害，需要加以妥善屏蔽防護。水、聚合物就是很好的屏蔽比鉛更適合屏蔽太空的輻射，近地軌道也在地球磁場保護下。
太空製造光伏電池讓天基太陽能發電站成為現實，利用從月球或者近地小行星開採的礦物在太空提純硅並且結晶、切割加工大批量製造成效率超過25%的高性能單晶硅光伏電池將為地球帶來強大綠色能源，在24小時都有太陽，沒雲雨霧霾影響的太空發電使用微波束無線傳輸電力到地面接收站，效率超過60%，功率是三峽大壩的近一半。天基太陽能發電是個大話題我就貼我以前演講PPT的截圖簡單科普一下。
ncc21382：節慶禮物：我第一次公開演講的PPT——太空科幻和思辨設計（多圖警告！）?zhuanlan.zhihu.com
然後太空還能製造高品質藥物和高品質合金，前者因為沒對流和沉澱成分混合的更均勻，蛋白質晶體也能更大，懸浮加工避免污染降低雜質。後者同樣也是更均勻，在真空下冶金也不會產生砂眼等缺陷，還更方便讓熔點沸點相差懸殊的不同金屬成分混合成合金或者製造輕巧而堅固的金屬氣凝膠材料（發泡金屬）。
真空中便於使用比激光更高效、多才多藝的電子束加工技術同樣也是優勢，電子束在太空環境下堪比瑞士軍刀，能切割也能焊接、釺焊還能加熱、表面處理、3D列印等，使用便利且能源效率高，這對太空製造業很有幫助。
此外在太空製造的太陽帆、激光帆比地面製造的更輕薄，因為如果地面製造的太輕薄那很容易損壞，在摺疊塞進整流罩然後展開的過程中非常容易撕裂損壞。如果在太空製造的話就無需經歷摺疊扭曲等操作，不會損壞。光帆越輕薄意味著越高效，可以廉價而快速的發射深空探測器甚至用作行星際快遞，可能足以在不解鎖可控核聚變推進、反物質推進的情況下就能把人類的探測器發送到另一顆恆星。
在太空還能突破運載火箭整流罩尺寸的限制——例如長征5號、阿麗亞娜5、重型獵鷹、重型德爾塔IV等整流罩直徑5米左右，內部實際可用直徑4.5米，SpaceX的Starship整流罩直徑9米，SLS擬議的最大整流罩直徑10米，用電子束和氣相真空沉積、3D列印、智能組裝機器人等技術製造超大直徑太空艙、超大口徑太空望遠鏡甚至太空城市、星際方舟（亞光速恆星際移民飛船）等等等。先寫這些以後看情況更新補充。
1，水冰基材3D列印產品。
在太空中遠離恆星的位置，水冰是一種既豐富，又易於成型的材料，可以用來建造木星、土星等衛星表面的建築。
2，火箭燃料製備。
外星製造業與運輸必然有大量燃料需求。
3，銥材製造及應用。
地球上的銥資源較少，小行星上則較豐富，所以當富集銥的小行星得到開發，銥的應用會相對普及。
4，無應力氣凝膠。
地球上的氣凝膠因為重力影響會有不均勻的內應力，降低透明度，而太空微重力下製造的氣凝膠不會。
5，功能晶體製備。
在太空微重力、高真空環境下，可以用激光或高頻渦電流加熱的晶體爐製備高純度晶體。因為太空微重力、高真空環境，所以此條件下製備的晶體可以既不與容器壁接觸，又沒有大氣污染，實現比地球表面更優的生長效果。
簡單答案：
空間站以及航天器（飛船）製造業。10年左右就可以開始變成現實的東西。
詳細答案：
傳統的航天器，無論是衛星還是載人飛船，因為要考慮發射時火箭整流罩的尺寸限制，以及地面組裝時的姿態、發射時的加速度，所以對載荷的重量、尺寸、結構強度都有要求。很多時候，如天線、太陽能電池板這些設備必須摺疊起來，而展開這些設備的機械結構也會佔據重量和空間，所以對航天器都是不利影響。
這也導致了一些如登月這樣，航天器尺寸和重量都較大的任務必須使用更大、更重、更貴的火箭來發射。發射阿波羅系列任務的土星五號直到今天仍然是人類成功發射過的最大的火箭。
而利用機器人及增材製造（3D列印）技術的自動化在軌服務（包括維修、燃料加註以及重新配置）、在軌組裝、在軌製造 -- On-orbit Servicing, Assembly, and Manufacturing （OSAM）則是降低航天器發射及運營成本的一個方法。這也是 NASA 近幾年在近地軌道持續投入的一個方向。
有了在軌組裝和製造能力之後，以後更大型的航天器或者空間站的結構部分就可以直接在軌組裝或製造。這樣，只需要用可復用、低發射成本的火箭運送標準尺寸的預製件或者3D列印原料到近地軌道即可。即使是載人的空間站，甚至往返月球的載人飛船，也可以用 OSAM 機器人組裝載人艙段的骨架以及其他承力結構，然後載人艙段外部覆蓋抗衝擊蒙皮，內部用類似畢格羅公司那樣的充氣式艙室（BEAM, Bigelow Expandable Activity Module），其他較小的支架則可以用3D列印。
目前，NASA有兩個已經規劃好的OSAM任務，還有幾個後續任務在規劃中。下面講講公開信息比較多的兩個OSAM任務。OSAM-1，原定於今年下半年發射，但是目前已經推遲到明年。OSAM-2可能會在2023年下半年或2024年初發射。
OSAM-1 的主要任務是抓取一顆在軌衛星，並為其加註燃料。值得注意的是，因為這顆衛星一開始的設計並沒有考慮到在軌加註燃料，所以OSAM-1 還先必須用機械臂打開部分蒙皮及擰開（地面用的）燃料加註口蓋，然後換上燃料加註介面，最後加註燃料。能夠用低成本、通用化的服務衛星給高成本的在軌衛星加註燃料、延壽，自然還是有意義的。
OSAM-1 搭載的次要載荷名為SPIDER（Space Infrastructure Dexterous Robot），包括兩項技術演示任務：
一、把七塊部件組裝成一個約3米直徑的通信天線，並進行與地面站的通信；
二、用增材製造技術造一條10米長的橫樑，用以驗證在真空中3D列印航天器結構件的技術。
視頻一，OSAM-1 主要任務，抓取在軌衛星並加註燃料。來源：NASA
OSAM-1 主要任務，抓取在軌衛星並加註燃料
Kenneth Pan的視頻 · 1503 播放視頻二，OSAM-1 次要技術演示任務，組裝通信天線及製造航天器結構件。來源：Maxar / NASA
OSAM-1 SPIDER 組裝通信天線及製造航天器結構件Kenneth Pan的視頻 · 136 播放OSAM-2 的主要任務將會驗證在軌列印兩條各10米長的橫樑，並展開超薄的太陽能電池板（可能叫光伏「膜」更貼切）。
視頻三，OSAM-2 主要任務，在軌列印橫樑，並展開太陽能電池板。來源：Made in Space / NASA
OSAM-2 任務，在軌列印橫樑並展開太陽能電池板
Kenneth Pan的視頻 · 908 播放資料來源：
https://nexis.gsfc.nasa.gov/OSAM-1.html?nexis.gsfc.nasa.govhttps://blog.maxar.com/space-infrastructure/2020/osam-1-formerly-restore-l-continues-to-make-progress-fuel-tank-installed?blog.maxar.comOSAM-2?www.nasa.gov
後記：
關注這個問題有一段時間了，一直很想寫這個話題，不過因為簽了保密協議，很多東西只有在NASA或者製造商公開了之後才能講。這個星期也會繼續參加這個項目的研討會，希望過一段時間能有更多的新東西可以分享給知乎諸君啦。
其實，人類如果能夠把眼光多投向太空，而不是老是盯著鄰居的一畝三分地，世界應該會更美好一些吧。諸君努力，人類的征途是星辰大海。
結晶自然生長。
推薦閱讀：
