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？
有什么必须在太空(或微重力）才能制造的产品？（借助太空微重力环境和高真空度生产地球难以制造的高品质产品）又或者会有哪些行业比在地球要发达？
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......科学家们就想著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
- ^ab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.
太空制造最重要的是半导体，包括手机、PC、超级计算机晶元和光伏电池，半导体材料本身的高价值低重量能抵消昂贵的运费——毕竟高端处理器晶元能卖1000美元以上，英特尔的Xeon Platinum处理器甚至很多型号价格超过10,000美元，IBM的Power系列更是天价。这些薄薄一片几十克重的晶元如此值钱，哪怕运费2000美元/千克，在太空制造高端半导体也是稳赚不亏，可以说是点沙成金。
现在我们的生活离不开形形色色的数码产品从手机、PC到网路运行的伺服器、天气预报使用的超级计算机等，数码产品的心脏是各种晶元例如CPU、GPU等，而这些晶元的基础来自硅晶体切下的晶圆。晶体越大切下的晶圆直径也越大，意味著边缘裁切而损失的区块相对于总可用面积越小，因而提升了良品率降低了成本。
同时在太空微重力环境下由于没有重力的影响包括对流，晶体能生长的比地面更大而且更均匀，微重力下可以悬浮加工能避免容器、输送管路等可能造成的污染，进一步提升品质。说不定以后太空制造的CPU的体质好到片片都能超频图片10Ghz大关（散热器厂商成最大赢家）。
当然太空制造晶圆的工艺可能会和目前地面广泛使用的拉拔生长有所不同。除了半导体晶圆外半导体薄膜外延工艺也是太空制造的受益者，可用于先进感测器、可能还有高效光伏发电等用途。和平号空间站的晶体号舱段就配有多台半导体制造加工炉，美国太空梭任务里也有过半导体材料制造实验，除了独特的优势外太空制造半导体也有独特的麻烦，稀薄的地球高层大气中氧分子被紫外线裂解成化学性质更活泼有腐蚀性的原子氧、宇宙射线高能粒子也会对半导体材料造成损害，需要加以妥善屏蔽防护。水、聚合物就是很好的屏蔽比铅更适合屏蔽太空的辐射，近地轨道也在地球磁场保护下。
太空制造光伏电池让天基太阳能发电站成为现实，利用从月球或者近地小行星开采的矿物在太空提纯硅并且结晶、切割加工大批量制造成效率超过25%的高性能单晶硅光伏电池将为地球带来强大绿色能源，在24小时都有太阳，没云雨雾霾影响的太空发电使用微波束无线传输电力到地面接收站，效率超过60%，功率是三峡大坝的近一半。天基太阳能发电是个大话题我就贴我以前演讲PPT的截图简单科普一下。
ncc21382：节庆礼物：我第一次公开演讲的PPT——太空科幻和思辨设计（多图警告！）?zhuanlan.zhihu.com
然后太空还能制造高品质药物和高品质合金，前者因为没对流和沉淀成分混合的更均匀，蛋白质晶体也能更大，悬浮加工避免污染降低杂质。后者同样也是更均匀，在真空下冶金也不会产生砂眼等缺陷，还更方便让熔点沸点相差悬殊的不同金属成分混合成合金或者制造轻巧而坚固的金属气凝胶材料（发泡金属）。
真空中便于使用比激光更高效、多才多艺的电子束加工技术同样也是优势，电子束在太空环境下堪比瑞士军刀，能切割也能焊接、钎焊还能加热、表面处理、3D列印等，使用便利且能源效率高，这对太空制造业很有帮助。
此外在太空制造的太阳帆、激光帆比地面制造的更轻薄，因为如果地面制造的太轻薄那很容易损坏，在折叠塞进整流罩然后展开的过程中非常容易撕裂损坏。如果在太空制造的话就无需经历折叠扭曲等操作，不会损坏。光帆越轻薄意味著越高效，可以廉价而快速的发射深空探测器甚至用作行星际快递，可能足以在不解锁可控核聚变推进、反物质推进的情况下就能把人类的探测器发送到另一颗恒星。
在太空还能突破运载火箭整流罩尺寸的限制——例如长征5号、阿丽亚娜5、重型猎鹰、重型德尔塔IV等整流罩直径5米左右，内部实际可用直径4.5米，SpaceX的Starship整流罩直径9米，SLS拟议的最大整流罩直径10米，用电子束和气相真空沉积、3D列印、智能组装机器人等技术制造超大直径太空舱、超大口径太空望远镜甚至太空城市、星际方舟（亚光速恒星际移民飞船）等等等。先写这些以后看情况更新补充。
1，水冰基材3D列印产品。
在太空中远离恒星的位置，水冰是一种既丰富，又易于成型的材料，可以用来建造木星、土星等卫星表面的建筑。
2，火箭燃料制备。
外星制造业与运输必然有大量燃料需求。
3，铱材制造及应用。
地球上的铱资源较少，小行星上则较丰富，所以当富集铱的小行星得到开发，铱的应用会相对普及。
4，无应力气凝胶。
地球上的气凝胶因为重力影响会有不均匀的内应力，降低透明度，而太空微重力下制造的气凝胶不会。
5，功能晶体制备。
在太空微重力、高真空环境下，可以用激光或高频涡电流加热的晶体炉制备高纯度晶体。因为太空微重力、高真空环境，所以此条件下制备的晶体可以既不与容器壁接触，又没有大气污染，实现比地球表面更优的生长效果。
简单答案：
空间站以及航天器（飞船）制造业。10年左右就可以开始变成现实的东西。
详细答案：
传统的航天器，无论是卫星还是载人飞船，因为要考虑发射时火箭整流罩的尺寸限制，以及地面组装时的姿态、发射时的加速度，所以对载荷的重量、尺寸、结构强度都有要求。很多时候，如天线、太阳能电池板这些设备必须折叠起来，而展开这些设备的机械结构也会占据重量和空间，所以对航天器都是不利影响。
这也导致了一些如登月这样，航天器尺寸和重量都较大的任务必须使用更大、更重、更贵的火箭来发射。发射阿波罗系列任务的土星五号直到今天仍然是人类成功发射过的最大的火箭。
而利用机器人及增材制造（3D列印）技术的自动化在轨服务（包括维修、燃料加注以及重新配置）、在轨组装、在轨制造 -- On-orbit Servicing, Assembly, and Manufacturing （OSAM）则是降低航天器发射及运营成本的一个方法。这也是 NASA 近几年在近地轨道持续投入的一个方向。
有了在轨组装和制造能力之后，以后更大型的航天器或者空间站的结构部分就可以直接在轨组装或制造。这样，只需要用可复用、低发射成本的火箭运送标准尺寸的预制件或者3D列印原料到近地轨道即可。即使是载人的空间站，甚至往返月球的载人飞船，也可以用 OSAM 机器人组装载人舱段的骨架以及其他承力结构，然后载人舱段外部覆盖抗冲击蒙皮，内部用类似毕格罗公司那样的充气式舱室（BEAM, Bigelow Expandable Activity Module），其他较小的支架则可以用3D列印。
目前，NASA有两个已经规划好的OSAM任务，还有几个后续任务在规划中。下面讲讲公开信息比较多的两个OSAM任务。OSAM-1，原定于今年下半年发射，但是目前已经推迟到明年。OSAM-2可能会在2023年下半年或2024年初发射。
OSAM-1 的主要任务是抓取一颗在轨卫星，并为其加注燃料。值得注意的是，因为这颗卫星一开始的设计并没有考虑到在轨加注燃料，所以OSAM-1 还先必须用机械臂打开部分蒙皮及拧开（地面用的）燃料加注口盖，然后换上燃料加注介面，最后加注燃料。能够用低成本、通用化的服务卫星给高成本的在轨卫星加注燃料、延寿，自然还是有意义的。
OSAM-1 搭载的次要载荷名为SPIDER（Space Infrastructure Dexterous Robot），包括两项技术演示任务：
一、把七块部件组装成一个约3米直径的通信天线，并进行与地面站的通信；
二、用增材制造技术造一条10米长的横梁，用以验证在真空中3D列印航天器结构件的技术。
视频一，OSAM-1 主要任务，抓取在轨卫星并加注燃料。来源：NASA
OSAM-1 主要任务，抓取在轨卫星并加注燃料
Kenneth Pan的视频 · 1503 播放视频二，OSAM-1 次要技术演示任务，组装通信天线及制造航天器结构件。来源：Maxar / NASA
OSAM-1 SPIDER 组装通信天线及制造航天器结构件Kenneth Pan的视频 · 136 播放OSAM-2 的主要任务将会验证在轨列印两条各10米长的横梁，并展开超薄的太阳能电池板（可能叫光伏「膜」更贴切）。
视频三，OSAM-2 主要任务，在轨列印横梁，并展开太阳能电池板。来源：Made in Space / NASA
OSAM-2 任务，在轨列印横梁并展开太阳能电池板
Kenneth Pan的视频 · 908 播放资料来源：
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
后记：
关注这个问题有一段时间了，一直很想写这个话题，不过因为签了保密协议，很多东西只有在NASA或者制造商公开了之后才能讲。这个星期也会继续参加这个项目的研讨会，希望过一段时间能有更多的新东西可以分享给知乎诸君啦。
其实，人类如果能够把眼光多投向太空，而不是老是盯著邻居的一亩三分地，世界应该会更美好一些吧。诸君努力，人类的征途是星辰大海。
结晶自然生长。
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