首页、「百威注册」首页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。

　　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。

　　既然是重力的原因，那就解决掉重力吧......科学家们就想着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

　　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]

　　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......

　　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.....

　　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]

　　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。

　　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。

　　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。

　　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。

　　太空制造最重要的是半导体，包括手机、PC、超级计算机芯片和光伏电池，半导体材料本身的高价值低重量能抵消昂贵的运费——毕竟高端处理器芯片能卖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芯片如此值钱

　　，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到网路运行的服务器、天气预报使用的超级计算机等，数码产品的心脏是各种芯片例如CPU、GPU等，而这些芯片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，意味着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，可用于先进传感器、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，美国航天飞机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。

　　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打印等，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。光帆越轻薄意味着越高效，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，用电子束和气相线D打印、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。

　　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打印）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打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打印。

　　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，然后换上燃料加注接口，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。

　　二、用增材制造技术造一条10米长的横梁，用以验证在线D打印航天器结构件的技术。

　　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-2 的主要任务将会验证在轨打印两条各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，在轨打印横梁，并展开太阳能电池板。来源：Made in Space / NASA

　　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，而不是老是盯着邻居的一亩三分地，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。

　　就像人类刚开始造船的时候发现船造大了就很难把它弄进水里一样，飞船也是一样。至少科幻作品里的那些动辄几十上百甚至数千吨的一体化星舰目前人类的化学火箭是无法运载其从地面入轨的。

　　既然化学火箭没法提供足够经济的入轨方法，那么干脆别入轨了，直接让航天器在轨生产不香么？反正都到真空里了，什么电推黑科技统统用起来，几百吨甚至上千吨的星舰也是指日可待呀。

　　弱弱地问一句，题主是要参加未来空间站设计大赛之类的活动吗？如果是的话欢迎私信进一步交流。

　　准确地来讲，轨道上的重力并不为零，这是因为测定重力（进行制造业生产）的点不能准确地位于空间站的质心这一由万有引力抵消离心力造成的，故称其为“微重力”环境。虽说微重力环境不是完美地失重，但仍然可以抵消绝大部分的重力加速度。

　　1）在工件加工时，可以大幅减小由于重力造成的公差，改善工件内部因为受重力产生的应力结构，可以加工对于加工精度要求极高的工件。

　　2）因为不受几乎不受重力影响，可以避免工件因为无法支撑自重而发生结构形变，同时也更有利于较重工件的拖拽移动，可以加工、储存、运输一体超大型工件。

　　3）在增材制造过程中，因为几乎不受重力影响，不用担心刚打印的部分因重力发生形变，可以省去大量的内外支架结构，节约工时和材料成本，同时改善因支架结构而降低的工件表面质量，适于制造复杂曲面工件。

　　4）同样因为受重力较小，应力和形变改善，诸如透镜、反射镜、棱镜等各类精密光学元件可以在保证精度的前提下将尺寸做得更大，继而增大光强并减小衍射斑。值得一提的是，因为应力情况的改善，部分因盈利产生的旋光现象对光学仪器的影响也会大幅减小。

　　2.线）太空环境几乎没有氧气等助燃气体，也几乎没有气体分子和灰尘对大功率激光进行散射，可以提供对大尺寸金属材料进行激光灼烧、焊接或者切割

　　2）同样因为太空的真空环境，也有利于一些原本需要保护气体才能进行的蒸汽镀膜等等表面工艺

　　3）因为相较地表有效地避免了太阳光在穿透大气层的能量损失，适于进行光伏发电

　　4）其他对真空度有要求的制造业有很多，我对这些不是很了解，更不能一一详述，这里引用别人的贴子供你参考。轨道真空度可由外有引力场下的玻尔兹曼分布估算进行参考，代入零海拔大气压做边界条件。

　　1）因为要考虑发射过程中的过载和震动，很多航天用的精密仪器都对强度有着特殊需要。但如果在轨道生产相关精密仪器

　　2）在月球或者小行星带开采矿物（如稀有金属或氦3），再将矿石直接运回地球成本极高。如果能在开采天体的轨道上建立对矿物进行初步精炼提纯甚至直接加工成品

　　目前用于能源工业和矿山开采的工程机械，虽然可以适应较为恶劣的工作环境，但大多采用内燃机，而无氧的太空，则需要开发新的动力装置。以及需因地制宜地改进，适应当地环境。

　　既然要在太空发展制造业，人类居所、生产原料及成品保存仓库、加工生产线、交通运输站点等等基础设施必不可少，那么定会看到基建狂魔忙碌的身影…

　　能源开采、基础建设对工程机械的大量需求，势必会带动太空用的特种工程机械制造业的发展，创新、高效的各式工程机械也会如雨后春笋般涌现…

　　太空制造业的繁荣一定离不开交通运输业，包括原材料、成品等生产资料的运输分发，旅客的跨星球运送，未知星球的频繁探索…

　　而其他星球未知、复杂的地形、气候也会是对其一次较大考验。有请@测绘工程的同学回答。

　　而彼时日益频繁的太空运输、旅行、探险，定会促使太空交通运输工具制造业的迅猛发展。

　　人类每当抬头仰望星空，产生无限好奇，正是对未知的向往，人类才一次次突破自身的局限，以科技的力量去探索未知。

　　一切可用于在火星和月球实现自给自足的技术都将是未来科技的最抢手地阵地。用月壤和火星表面矿物修建房屋的技术首当其冲，可用于月球和火星的供电技术，从二氧化碳中分离氧的技术，从冰和水里分离氧气和氢气的技术，利用火星矿物生产甲烷的技术，利用月球和火星矿物冶炼金属的技术，利用火星矿物合成大分子有机材料的技术，在火星和月球制作肥料的技术，这些也都是未来太空移民的关键基础。

　　有了一套完整的工业基础设施，才可以有资本展望在外太空复制地球上的一切。

　　(2)图纸从一幢楼缩微到指甲盖大小，然后全选，复制，粘贴粘贴……粘贴99次，然后把这100个CPU的缩微图纸摆成一个直径200mm的圆形。然后(3)，把一张直径200mm的单晶硅片送进去，执行(4/5/6)。太棒了，我们按一次快门，就画出了100个CPU，折合每个CPU的光刻成本是5美元。

　　可以肯定未来太空会具备生产制造条件，但太空制造业的发展的局限性也大，肯定不会发展“消费型”产业，这是因为太空与地球往返运输成本所决定！根据知友的提问，可以将未来的太空制造业归纳为以下几个方面。其中；

　　共生材料研制—太空失重与真空环境是地球上无法比拟的，可以根据人类设想对两种或两种元素进行混合得到人类急需的新材料。这是未来太空制造业最具活力的产业，诸如超级半导体材料等。

　　人类文明发展一直是获取能量,使用能量的技术进步史.同样的,人类进入太空,最基础的问题也是如何获取,管理,利用能量.所以,进入太空时代,首当其冲的应该就是解决能量的问题.

　　人类在地球上获取能量,已经对环境产生了越来越严重的污染破坏,以至于可持续问题成了大众瞩目的话题.而太空中,显然,环境保护的难题就小得多了.所以,能量的生产和利用,会比地球上有更大的自由度.可以预期,未来技术发展到了一定程度,人类的能量来源,主要会来自于地外.而地表和地下与能源相关的挖掘采集活动,会慢慢消失.比如现在大部分的种植和采矿.

　　一旦能源自给有余,达到了维持正输出的程度,太空制造业会正式开始.最初的行业,应该是和克服重力有关的生产.在地球上因为自重无法解决的许多困难,在太空就不费吹灰之力了.另外,太空采矿也大行其道.当太空采矿达到了一定程度,太空探险也正式展开.太空探险又进一步刺激采矿和制造业的发展,形成正反馈.到那时,一个全新的人类文明就诞生了.那是现在无法想像的场景.

　　制造业发展要好的核心是什么？比如说我们中国，全球工厂，Made in China。那么我们的竞争优势在哪里？这个竞争的优势也是在不断的变化的。80年代改革开放之初，我国制造业的优势是劳动力成本低廉、土地成本低廉、对外资的超国民待遇。

　　那么时代发展到今天，我国的制造业优势又是什么？上下游产业链完整，配套齐全；有14亿人口的庞大内需市场，有人数众多的中产阶级消费群体；有航运、铁路、公路等优质的基础设施；用工成本虽然上升，但是我国依然有数量最多的廉价工程师；对外资的超国民待遇逐步取消，但是我们依然在加快对外开放的步伐；随着客户、资本、管理和技术的积累，我国的制造业也在逐步向设计和研发迁移和攀登，在全世界建立自己的品牌和销售渠道。

　　那么美国制造业的优势是什么？就是他的设计和研发，他的高新科技，比如说波音公司，比如说微软公司、英特尔公司。美国的全球500强公司，他们对行业的控制能力更强，全球影响力更大，因此也能攫取更大的利润。

　　未来在太空的制造业，将在哪些方面具有相对的竞争优势？第一，我觉的，太空制造业必然面临着成本高企的困境。所以怎样降低成本，使它在商业上可以被接受，是一大挑战。以火星为例，我们在火星发展制造业，所有的设备和原材料都要从地球运过去，生产的东西又要运回地球，因为它的市场在地球。所以这个星际运输的成本是很高的，必须得把它降下来，使太空制造业有利可图。火星上还面临着昼夜温差大，空气稀薄，磁场微乎其微，重力偏小等问题。这些问题都将转嫁到太空制造业的成本上。

　　那么是不是就没有好消息呢？是不是就没有解决的办法和途径呢？不是。比如说火星上可能会有某种地球稀缺资源，比如说月球的微重力环境对于航天发射就非常有利。而成本高企的问题，也可以通过大规模生产和科技进步的方法加以解决。星际运输成本昂贵的问题，或许也可以通过就地取材，就地加工，加以解决。但是所有这一切，前期的固定资产投资，不是个人和企业所能够承担的起的。必须把全社会的力量动员起来，共同参与，政府牵头打造平台。

　　再回到题主的问题本身，“未来在太空拥有生产制造的条件，什么制造业会比地球发展的好？”首先被我排除掉的是轻工业，因为轻工业以动植物做原料，而火星以及太阳系内的其他行星，都不具备大规模种植和养殖条件。如果未来在外星球上存在这样的大规模种植和养殖，成本必定贵的要死，那是不得不做的事情，因为人类需要植物提供的氧气，也需要动植物作为食物。大规模移民太空，必定先要解决这个问题。