我们真的能在太空造芯片吗？

时间来到2023年，DCD在Space-Comm大会（当时还在范堡罗举办）的威尔士太空展位上，与Space Forge的首席执行官Joshua Western对面而坐。我们受邀与这位冉冉升起的管理新星进行深入交流，他刚刚开始将公司品牌的夹克融入到自己的日常穿搭中——就像明星版的黄仁勋（Jensen Huang）一样。

在这个行业里，你会遇到很多怪人和古怪的人，而韦斯特恩是一位沉着冷静、富有魅力的演说家，他在描述公司在轨道上制造芯片材料的愿景时，既没有怪人也没有古怪的人。

毫无疑问，一些被提及的数字，尤其是早期的数字，可能无法实现。韦斯特恩曾轻描淡写地提到，到2023年半导体性能将提升10到100倍，但近年来他似乎不再重复这一预测。然而，在太空制造半导体晶体的想法仍然极具吸引力，而且可能很快就会成为现实。

在上世纪美苏争霸的时候，人类首次尝试在太空微重力环境下培育晶体结构。1973年至1979年间进行的“天空实验室”任务是美国宇航局（NASA）在科学领域取得的杰出成就之一，开展了近300项独立实验，涵盖物理学、天文学、生命科学和材料科学等多个前沿领域。1974年1月24日，在“天空实验室4号”上，研究人员利用轨道上的电化学反应，成功培育出了1克和5克大小的银晶体。

天空实验室四号任务指挥官杰拉尔德·卡尔上校敏锐地观察到，这些太空晶体拥有比地球和离心机生长的晶体更为完美的微晶结构。卡尔是自尼尔·阿姆斯特朗以来首位指挥NASA任务的新晋宇航员，此后他一直积极支持该领域的后续研究。

该实验揭示了微重力环境下晶体的沉积行为、对流过程和浮力，观察发现这些因素会导致晶体尺寸和结构的均匀性更高。该报告发表于1976年，其中谈到了“半导体和光学材料大块单晶的应用”，但也指出此类科学研究“超出了本研究的范围”。

这项研究经常被Space Forge引用。Space Forge是英国有史以来规模最大的A轮融资的获得者，融资额达2260万英镑（3050万美元），由北约创新基金（包括世界基金）和英国商业银行领投。其首颗制造卫星ForgeStar-1于2025年6月23日发射升空，此后取得了一系列里程碑式的成功，包括同年12月成功生成等离子体。

当被问及以太空晶体为补充的半导体供应链的可行性时，公司高管提醒我们，这项科学研究已经完成。

“自上世纪七八十年代以来，美国、俄罗斯、欧洲和中国的项目已经进行了超过一百项有记录的实验，”太空锻造公司（Space Forge）首席化学气相沉积工程师安德鲁·格里菲斯博士告诉DCD。看来这一定很简单。

太空制造无疑是尖端科技。在太空这种混乱的环境中，即使是最简单的流程，其工程设计也比地球上的流程复杂得多，容错能力也强得多。

太空制造中晶体生长的物理原理表明，微重力环境下形成的晶体具有更高的尺寸和结构均匀性，从而形成更“纯净”的晶体。这些晶体返回地球后，可以作为种子，培育出大约十代更高质量的新晶体。在贝尔法斯特举行的2025年英国在轨服务、组装和制造大会上，Space Forge首席执行官Joshua Western推断，这意味着每次飞行大约可以生产一亿个芯片。

“太空制造对化合物半导体的影响有时可以使晶体的纯度提高三倍、四倍甚至五倍，特别是位错密度——即晶体的契合度，”韦斯特恩在ISAM 2025会议上表示。“即使在终端系统应用中，这些半导体构成的芯片也能在尺寸、重量和功耗方面减少高达60%。”

这一切的简洁令人愉悦，几乎达到了马斯克式的境界。

另一家太空服务公司Arkisys Inc.的首席执行官兼联合创始人戴夫·巴恩哈特也认为，航天制造在轨道技术中属于较为长期的范畴，并将其定义为“仍处于萌芽阶段的实验阶段”。他认为，问题的关键在于确定哪些行业正在寻求进入太空，探索太空的极端物理环境。

他承认：“最现实的近期受益者是生物和制药行业，因为微重力可以实现地球上无法复制的新型晶体生长、细胞培养和蛋白质结构构建。”

事实上，太空制药公司Varda已筹集了总计3.29亿美元的资金，其中包括PayPal和Palantir创始人、亿万富翁彼得·蒂尔的投资。另一家公司Orbital Medicine也已筹集了2.7亿美元，致力于研发这些神奇的太空晶体。

尽管用投资者能理解的语言来解释这些科学原理听起来令人瞠目结舌，但最终还是金钱至上。这些看似不太可能的初步举措，很可能会比我们想象的更快地颠覆材料科学领域的经济格局。

他们承认，Space Forge 并不追逐人工智能炒作周期来与硅CMOS竞争，他们称硅CMOS技术已经非常成熟，在这个技术中，工艺规模缩小比晶体纯度更重要。

格里菲斯博士表示：“太空制造真正具有颠覆性意义的领域在于化合物半导体和宽带隙半导体，因为材料纯度仍然严重限制了其性能。太空生长晶体为这一领域带来了突破性的机遇。即使是少量超高品质材料，例如金刚石，也能因其无与伦比的热性能而产生巨大影响。”

太空经济很大程度上受到物流瓶颈的制约。发射能力不足固然值得探讨，但如何安全将物品带回地球的限制则更为严格。

巴恩哈特表示：“（航天制造领域）主要的限制因素是下落质量能力。目前，下落质量仅限于几公斤，安全再入、着陆和成本等方面仍存在诸多挑战尚未解决。除非下落质量能力提升一个数量级，否则大规模轨道制造仍将受到限制。”

幸运的是，太空晶体开采属于小批量、高质量的范畴。开采公司为了降低晶体质量，会使用隔热舱，其中一些公司还采用了成本效益高的充气式设计，以减少一次性使用的成本。在不久的将来，像Sierra Space公司的“追梦者”（Dream Chaser）这样的航天飞机或许能够解决这一问题，但它们目前还无法飞出地球大气层。只能下降而不能上升的飞机，算不上是好飞机。

Space Forge 采用了 Pridwen 系统，这是一种以亚瑟王传奇之盾命名的新型隔热罩，它通过辐射散发的方式散发积聚的热量，而不是采用标准的烧蚀技术。该系统已经在抛物线飞行中进行了微重力测试。

12月31日，Space Forge公司报告称，ForgeStar已成功演示了利用微波等离子体增强化学气相沉积（CVD）系统在轨道上自主生成等离子体。这一壮举需要对微波功率、气体流量、腔室压力、时间、排气和补充进行精确控制，这些控制由机载计算机和有效载荷控制器管理的软件完成。

格里菲斯博士说：“虽然在原理上产生等离子体听起来很简单，但在卫星内部可靠地实现这一点却绝非易事。我们发送的不是冗长的指令序列，而是高级指令——‘运行这个特定程序’——卫星就能自主执行，并在下次通信时返回诊断数据。这一点至关重要，因为它展现了技术的成熟度。这不仅仅是一项实验室实验；它是一个完整的太空微型工厂，由太阳能电池阵列和电池供电，能够在轨道上产生半导体级可控微波等离子体——无需人为干预。”

该公司预计将于2026年晚些时候将其太空晶体带回地球，并在ForgeStar任务第八个目标完成后，按计划将Pridwen号卫星送回地球。ForgeStar任务目前正在进行中。然而，该公司并未承诺在2026年提供可用的半导体原型。

当被问及 Space Forge 是否预见到会将此操作安装到即将建成的商业空间站（如 Axiom Station、Starlab 或 Orbital Reef）中时，该公司表示，其长期愿景是建造一座专用的轨道工厂，能够接收原材料并生产成品晶圆以供出口，而无需考虑长期困扰该行业的无数人类存在带来的弊端。

Arkisys公司在建立其“港口”（Ports）时也提出了类似的目标——这些无人服务站可为客户所需的任何轨道或行星提供服务。该公司预计到2030年将建成一个包含三到五个港口模块的完整空间站，支持90天的运行周期，并为多个轨道转移飞行器（OTV）提供服务。

“商业可行性不仅要通过演示来证明，还要通过首次在商业平台上持续的客户交接和服务运营来证明，也就是服务成为常规操作而不是实验性操作的时刻，”巴恩哈特说。

这两个项目都是对传说中的太空经济背后的技术进行的一些较为先进的演示，在太空经济中，太空无人机在卫星和空间站之间穿梭，执行交会、对接、燃料补给、重新定位和维修等任务。

Arkisys 的 Barnhart 也认为，实现这一美好超级未来的障碍在于物流——如果往返轨道变得更便宜、更快捷，那么维修和升级卫星就比建造和发射新卫星更有意义。

“未来十年，服务和物流将会成熟；而像大型太空工业城市这样更具推测性的概念，要到本世纪晚些时候才能成为现实，”他说道。

太空经济的浮华魅力吸引了无数泡沫式的炒作。2015年，美国奥巴马政府签署了《美国商业太空发射竞争力法案》，该法案除其他内容外，还使美国公司开采太空资源合法化。这项雄心勃勃的法案让许多人相信，美国即将进口各种各样的星际宝藏。

行星资源公司（Planetary Resources）、深空工业公司（Deep Space Industries）、异星公司（Offworld）和克莱奥斯太空公司（Kleos Space）等初创企业在2010年代如雨后春笋般涌现，试图搭上这股星际淘金热的顺风车。但16年后，那些依然存在的公司正在悄然转型，转向市场需求旺盛的技术，例如推进系统。太空经济究竟有多少会重蹈覆辙，时间会给出答案。

最近太空数据中心的热潮确实让人想起了一些似曾相识的故事。

“（这项计划）主要基于两个人们认为的优势：丰富的太阳能和太空的寒冷真空，”巴恩哈特告诉DCD。“虽然这些假设在物理上是正确的，但它们掩盖了巨大的工程挑战。”

历史上，航天器并没有很好地利用极端高温的异常涌入，恰恰相反。此外，某些电影中描绘的太空寒冷景象，并不一定适用于电子设备的冷却。

“在轨道上，散热极其困难，因为地球上主要的冷却机制——对流——在真空中无法发挥作用。有效的冷却需要庞大的散热系统，其规模可能达到数公里。维护和稳定如此庞大的结构会带来严重的技术和运行风险，”巴恩哈特解释道。

巴恩哈特表示，发电也是一项“不容忽视”的挑战。目前太阳能电池的效率只有30%到40%，所需的太阳能阵列面积相当于好几个足球场。此外，他还指出，“长期可持续性问题很少被提及”。巴恩哈特解释说：“轨道上的电子设备面临着更高的辐射水平，而且与地面数据中心不同，故障部件无法轻易由技术人员更换。这些因素大大增加了成本效益分析的难度。”

但技术乐观主义者们希望在太空看到的不仅仅是数据中心，还有半导体制造厂本身——一项极其复杂的工程壮举，也极易受到质疑。这种狂热的热情导致人们误以为太空锻造公司制造的是半导体本身，而不是构成半导体的晶体。格里菲斯博士解释说，在如今大型半导体制造厂已经存在的时代，这种想法“毫无意义”。

“我们正着眼于流程中那些能受益于太空条件的特定步骤，并将它们整合回地面制造流程，”他告诉DCD。“从这个角度来看，建立基于太空的供应链是完全现实的。”

作为北约创新基金的受益者，Space Forge 长期以来一直被认为是生产军民两用技术的公司，这种看法当然也延伸到了在轨服务和 OTV 无人机领域。

巴恩哈特指出：“在全球范围内，中国已经展现出对在轨服务领域的浓厚兴趣和大量投资，并取得了多项显著的突破性进展。金砖国家也在探索这些技术，因为他们认识到服务和物流将是未来太空经济的基础。”

他建议各国政府开始通过卫星加油、转移和其他后勤服务合同来支持该行业，以增强投资者对该技术的信心。

至于Space Forge，该公司目前专注于提升太空材料制造能力。至于这项进展是作为一家独立公司持续发展，还是被收购并成为更大商业生态系统的一部分，他们持较为开放的态度。

“我们正屏息以待，等待延期的国防计划。北约创新基金对太空锻造中心的支持和资助，证明了我们正在开展的工作至关重要且必不可少，”太空锻造中心材料研究负责人埃德·史密斯博士表示。

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