造就第419位讲者 艾飞
中国科学院上海硅酸盐研究所
空间材料科学与实验技术课题组长
中国科学院太空制造技术重点实验室副主任
刚过去的2018年，对于全世界的航天人来说都是波澜壮阔的一年。
这一年，是在时隔27年后，人类的航天发射次数再一次突破了100次大关，而上一次还得追溯到1991年。
并且在这一年里，中国的航天发射次数以39次的成绩，首次超过美国的34次。
今天很多人意识到，航天不仅仅是走出地球摇篮的必经之路，也不仅仅是为了满足探索未知宇宙的好奇心，它实际上决定着我们整个人类的终极命运。
太空实验室里的日常
过去几十年的太空探索，不但极大地拓展了全人类认知的边界，收获了不少造福地球生活的新发明，也积累了一系列飞往宇宙深处的关键技术。
在这当中，国际空间站是持续开展太空科学探索的典型代表和集大成者，也是人类的凌霄宝殿，可以把它想象成是悬浮在太空中的一个超大号实验室。
宇航员整天在国际空间站里都忙碌哪些科学实验呢？可以举两个形象一点的例子。
第一个是植物研究，比如在太空中如何解决长期的口粮问题。
第二个是材料研究，利用太空的特殊环境，希望可以合成一些新型的材料、改变人类的生活。
很多人关心，为什么要千里迢迢地在太空中去做材料科学实验呢？
这几张是地面上常见的现象，浮力、对流、沉降和静水压，它们产生的主要原因就是地球的重力作
用，这些效应在材料合成的时候容易造成组份的不均匀、分层、缺陷，最终材料的质量和性能就不会太好。
比如说沉降效应，我们日常中用的东西大多数是两种以上的元素组成，在熔化制造它的时候，重的、密度大的元素往下沉，轻的在上面。最后整个材料上下就不均匀甚至分层了，这样它的性能就不会太好。
材料科学家天然本能地有点讨厌这种图形，但偏偏在地面很难避免，他们最想得到的结构图形实际上有点像这个火龙果，里面的黑点是均匀分布的。
我们知道在太空微重力的环境下，物体颗粒可以呈现悬浮的状态，所以火龙果式的结构是很容易获得的。
致命的太空为什么又是最稀缺的资源？
太空特殊的环境里其实蕴含了极大的宝藏，对于材料实验来说特别有用。
太空一般是指距离地面100公里以外的外层宇宙空间，在卡门线以外的太空中有什么特点？
第一是微重力。人所感受到的重力是地球表面的万分之一、十万分之一，甚至更小。
第二是超高真空。没有可以呼吸的空气，在一个冰箱这么大的体积里面你能找到的，也就是几个原子或分子。
第三是超洁净、一尘不染。所以不用打扫卫生了，也绝对不会吸到雾霾了。
第四是强辐射。在大气层以外，紫外线以及高能宇宙射线都非常致命，所以你抹防晒霜什么的，肯定没有用。
第五是超低温。动不动就是零下两百多度，非常冷。
这一点我们的苏轼老祖宗，虽然他没有去过太空，但他在《水调歌头》里说的是对的：“唯恐琼楼玉宇，高处不胜寒。”
这样一看，太空不是很危险吗？没法待呀，怎么还蕴含宝藏了呢？
实际上，这每一种极端特殊的条件，对于科学技术的探索都非常有用，而在地面上普通的技术手段却非常难以实现。
几十年来，世界上各个航天大国都纷纷抢占太空的制高点，来寻求太空资源利用和开发，有了太空这样非常特殊的条件，科学家才可以在上面大展身手、尝试各种新的探索。
到今天，我们可以基本上了解到在太空中做材料合成有不少的好处，因为在太空微重力下，有希望能够获得更高完整性、更高均匀性、更高纯度、更大尺度的材料样品。通俗来讲，在太空中研发的材料，其质量和性能要比在地面上研发的更好。
昨天、今天、明天
太空中的第一次材料实验是苏联人做的，也就是在美国人首次登月之后的三个月——1969年的10月。他们在联盟六号飞船上进行了金属材料的焊接实验。下图这个是任务的徽章：
两年以后，美国人在阿波罗十四号上做了一个复合材料的铸造实验。这是美国人的第一次。
再过了16年，我们中国才在第九颗返回式卫星上开展了首次材料实验。之后整个90年代，我们利用卫星又先后进行了五次类似的实验。
到了这个世纪初，我们在神舟二号、三号飞船上开展了一系列空间晶体生长、观察和材料合成实验；之后在神舟七号飞船上做了固体润滑材料的空间环境实验；在天宫一号上面进行了胶体晶体的材料生长实验。
最近的2016年，我们在实践十号卫星以及天宫二号空间实验室上面，开展了迄今为止我国最大规模的、最长时间的材料实验研究。
到目前为止，美国、俄罗斯、欧洲完成了上千次的太空材料实验，所以我们国家到太空中做材料实验的次数总体上还是偏少，机会非常宝贵。
国际空间站是从1994年开始建设，到2011年才完全建成，有16个国家参与。目前美国、俄罗斯、欧洲、日本在国际空间站上建立了多种多样先进的实验装备，开展了深入的材料科学研究，收获颇丰。
可以说，国际空间站是人类科学技术和大型建造工程的结晶。但非常遗憾，它即将于2024年退役。
我们国家在天宫二号实验室之后进入了下一个空间站的建设阶段，目前正在紧锣密鼓地开展设计和研制工作，预计到2022年就会翱翔在太空。
我们的建造时间算下来是3年至4年，远远少于国际空间站的17年，这也体现了中国的速度和效率。
到2024年国际空间站退役之后，中国的空间站就将是整个太空中唯一的空间站了。
我们国家最近的一次实验，是在天宫二号空间实验室上完成的，开展实验的这套装备叫综合实验材料装置。
实际上它是三兄弟。所谓的八卦炼丹炉是“大哥”，学名叫材料实验炉，我们给它取了一个外号叫“火种”。它能提供一个高温的热环境，其核心的温度很高，材料实验就是在它里面完成的。
还有“二哥”，叫材料电控箱，是系统控制和运行的大脑，神机妙算，所以我们也取了一个外号叫“智机”。
“三弟”是材料样品带，这个是航天员更换和回收样品要用到它，外号“探囊”，希望航天员取放样品的时候，如同探囊取物一样方便。
这是我们在神舟三号飞船上制备的材料结果之一。这是一种被称为硅酸铋的黄色晶体，上面是地面生长的，下面是太空生长的，右边对应的是显微镜照片，黑色表示材料里面的一种缺陷。
通过分析我们发现，太空中生长的晶体相比地面的晶体，缺陷密度低了一个数量级，结晶性更好。太空晶体的可见光的波段透过率比地面又有10%的提高。
从这个方面看，太空中制备的材料，质量和性能确实都更好。
这个是另外一种材料的结果，是一种叫铝镍合金，上面是太空中制备的，下面是地面制备的，右边是剖开的断面照片。
可以看出来，太空中的铝合金表面更光滑，内部也更均匀致密，明显比地面的材料更好。
一代材料，一代器械，一代装备和产品
作为最最基础的材料，它其实一直在改变我们的生活。比如说目前大尺寸的、高质量的单晶硅，它实际上是用了旋转磁场技术，还有一些其他新型的半导体。
还有目前开发出来的各种新型的悬浮加热技术，都得益于在太空中实验的结果。比如说新型发动机的高温涡轮叶片，高性能的热电能源材料、高圆度的滚珠轴承材料，还有新型光通信的材料。
我们还可以大胆地发挥想象，未来太空中的材料工厂也可能会是这样的：在太空中直接进行材料的3D打印、生产产品，针对某些领域非常有用的材料，在专门的太空实验室里面进行制造。
人类要进军外太空，将来完全有可能是这样的画面——在某一个小行星上面直接建材料工厂，就地取材、就地制造。这些其实都不是天方夜谈。
人类的文明史其实就是材料的进化史。从最开始简陋的陶土到现在先进的半导体，从沉重的青铜器到轻盈的石墨烯，无不倾注着人类对材料制造工艺和性能的世代追求。
科幻中那些更强韧、更轻盈、更智能的通天法宝，回到其本源和核心，多半都指向了材料问题。比如说孙悟空齐天大圣的如意金箍棒，美国队长的盾牌、雷神之锤，金刚狼的利爪，还有蜘蛛侠的超强蛛丝等等，都是跟材料相关。
今天以马斯克为代表的商业航天已经如火如荼，过去我们从来没有像现在这样，对我们的太空、对未来满怀极大的好奇心。
我们盼望着走出地球，进入太空，能够获取材料制造的终极密码。人类文明必将因为材料的持续升级，迈入一个崭新的纪元。
本文来自微信公众号：造就（ID：xingshu100），作者：造就Talk的编辑们