空間工業方興未艾
地球上的資源還沒開發完,為什麼要到太空去進行科學實驗和生產呢?除了人口增長、能源危機外,還因為航天器在空間飛行中具有地球上沒有的獨特環境:高真空,高潔淨,強輻射和微重力。一般在地球上利用真空技術和超淨環境進行的生產、加工、實驗,都能在太空以很大規模和很好質量實現;同時在地球上難以進行的科學實驗、難以生產的材料和產品等,都可以在空間很好地實現、得到。由於失重,航天器是處於微重力環境下,它提供一種極端的物理條件,即自然對流基本消失,擴散成為傳遞的主要過程;液體中的浮力消失,由於不同液體密度引起的分層和沉浮現象消失;液體僅由表麵張力約束,浸潤和毛細現象加劇;液體中不存在靜壓力等等。總之,由重力引起的約束和影響幾乎消失,利用這些可以開展微重力技術物理、生物學、生命科學的研究,進行加工工藝實驗和生產製造,並且許多材料的性能比在重力環境下製成的相應性能好得多。
在失重條件下,無浮力和對流,所以冶煉時可以不用容器,采用懸浮冶煉法,克服了容器耐溫能力對冶煉溫度的影響,可以進行高熔點金屬冶煉,並且避免被煉物與容器的接觸汙染及非均勻成核結晶出現,提高了金屬的均勻性和純度,同時,高真空和超淨高。沒有了其他雜質的摻入,不同密度的金屬或非金屬均勻地混合,可以生產出地球上難以冶煉或需付出很高代價的高品質合金或新型合金材料。
在微重力環境下,可以生產出橢圓度極小的滾珠等球形產品。這是因為處於微重力環境下的熔化金屬,表麵張力很大,又無重力影響,能自動收縮成理想的球狀。如果需要空心球體,則在加壓下把氣體注入蒸發的液滴中,像吹肥皂泡一樣將其吹脹,等液體冷凝後就成了空心球。在地球上製備金屬絲、薄膜很困難,常因為重力的搗亂而斷裂。而在外層空間,就可以拉出極細的金屬絲和極薄的金屬膜。
由於在微重力條件下沒有浮力,液體內的氣泡不易排出去,它們既不上浮也不下沉,均勻地分布在液體中。利用這一特性可以生產出既像鋼一樣堅硬,又像泡沫塑料般浮在水麵上的泡沫金屬,而這種材料在地球上是無法製造的。
人們為了開發利用微重力資源,在航天器配備了各種各樣的空間材料加工專用裝置,進行材料加工和製備、工藝實驗、生物技術和流體流動實驗。高質量的半導體材料和晶體材料將對今後的電子信息工業和通信技術等產生深遠影響,而目前地球上已生產的半導體材料、晶體材料,因微觀缺陷、雜質及不均勻分布、沉澱物存在和組分對流已成為半導體器件發展的主要障礙。這些在空間站得到了很好解決,宇航員已在空間站上的電熱爐中拉製出了高性能無雜質條紋的砷化镓半導體晶體,它是集成電路和光電子器件的基礎材料。另外,結晶物的傳遞不受對流影響,生成的材料均勻,化學配比精確,晶體按最佳結構排列。在空間站上生長的晶體比地麵上大,生長速度也快,質量亦高。隨著計算機、通信技術的發展,需要一係列新型玻璃材料,它們具有一定的光、電、磁、機械等特性,在微重力條件下,可生產出不同要求的優質玻璃,如在空間生產出的光導纖維性能更加優良,因為它所用的玻璃純度高,所以光信號傳遞時損失小,傳遞距離遠。
空間製藥和生化品生產前景也十分美好,微重力環境下,許多微生物不會發生因培養物沉澱缺氧而死亡,生長速度能加快一倍以上,可以培養出地麵不能培養的微生物和製取優質藥品。在地球上製藥,難免不受汙染,同時受重力作用,有些藥物不能製作和提高純度。雖然可利用超高真空來製取少量高純藥物,但產量低價格貴,質量也不保證。而在微重力、高真空環境下,采用電泳法進行物質分離,可以生產出數量多、純度高的生物製品。電泳法的原理是讓含有生物物質的溶液在帶電容器中流過,因不同物質所帶電荷不同,受到不同的電場力,故它們沿不同方向流動,這樣就可以把各種活細胞(如紅、白血球、胰β細胞)、酶等分離開,製取生物製品。而在地麵上,存在對流及沉澱現象,分離效果不理想,還要消耗大量原始材料。在太空中製造同一種藥品比地麵上製造速度提高400-800倍,純度提高5倍。目前已在空間生產出許多有實用價值的特效藥,如治療糖尿病的β細胞、可溶解血栓的尿激酶、防治病毒傳染的免疫血清、征服癌症的抗體、幹擾素以及各種激素等幾十種藥物。在太空中還可以提取地麵上不能提取的疫苗、病毒,製備地麵上無法生長的大尺寸蛋白質晶體。