清华卢元&浙理工赵洪新等综述：太空中的化学与生物新兴原位制造技术

Emerging Chemical and Biological Materials Technologies in the Extraplanetary Environment

Qingyao Jiang, Bin Wang, Yifan Cheng, Yiming Wang, Hongxin Zhao*,Yuan Lu*

Nano-Micro Letters (2026)18: 151

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01979-8

本文亮点

1. 聚焦空间站、月球、火星与小行星等典型任务环境，系统归纳太空原位制造与原位资源利用的关键路径、代表性技术与最新进展，勾勒“从探索到制造”的总体路线图。

2. 对比化学高效制氧/燃料/结构材料与生物合成营养/药物、闭环再生的优势边界，提出“化学供原料—生物做增值”的融合范式，并纳入合成生物学与AI应对微重力、辐射与资源受限，同时点明工程化约束。

3. 对照美国国家航空航天局NASA在轨制造、欧洲航天局ESA闭环生命支持与中国资源勘查/空间站实验等实践差异，提炼共性瓶颈(传质与混合、辐射损伤、能量供给、系统鲁棒性)及可落地的技术迭代方向。

研究背景

太空探索推动科技前沿，也为缓解地球资源与环境约束提供新思路。月球富含氦-3、钛及硅酸盐等资源，火星亦蕴藏铁、硅、硫氧化物等矿物，具备能源、建材与制造潜力。面向深空长期任务与地外基地，太空原位制造(ISM)与原位资源利用(ISRU)可显著降低补给依赖与任务风险。然而微重力下传质/混合受限，辐射与极端温度易削弱反应与材料稳定性，生物体系还受能量供给与辐射敏感性制约。化学与生物技术协同被视为突破生命支持物资、推进剂与结构材料原位供给瓶颈的关键路径。

内容简介

清华大学卢元团队、浙江大学赵洪新团队围绕空间站、月球、火星与小行星等典型场景，梳理太空制造的演进脉络与国际进展，并对NASA、ESA及中国相关实践进行对照。文章指出：化学制造可将月壤、火星CO₂等原位资源高效转化为氧气、燃料与结构材料，但难直接合成药物、维生素等复杂分子；生物制造可在闭环生态中合成营养与药物、实现废物再生，却更依赖受控环境且对辐射与能量供给敏感。作者据此提出“化学供原料—生物做增值”的融合路径，并讨论合成生物学与AI在提升系统鲁棒性与工程化落地中的作用与瓶颈。

图文导读

I 空间站—月球—火星—小行星的制造版图

文章以典型外太空环境为坐标系，把空间站、月球、火星与小行星的关键环境特征(微重力、辐射、温度与资源可得性等)与可落地的制造路线进行对应：在轨环境更强调实验验证、精密制造与过程控制；行星表面与小天体则更依赖 ISRU，将原位资源转化为氧、水、燃料与结构材料等基础供给。全文“场景—技术—资源”的主线图，如图1所示。

图1. 外太空环境(如空间站、月球、火星与小行星)的环境特征与制造技术。

II 太空制造的演进时间线

如图2所示，文章用时间轴串联太空制造的关键阶段：从早期航天探索与空间实验，到空间站平台上的制造与生命科学实验，再到面向深空任务的原位制造与商业化在轨制造趋势。时间线所呈现的，不只是技术节点的累积，更是“能力积累—任务需求—工程验证”逐步耦合的过程。

图2. 历史发展时间线示意图。

III 化学碳转化链条

如图3所示，文章用 CO₂ 电还原与甲醛聚糖反应(Formose reaction)为代表，展示“CO₂ → 小分子中间体/糖类前体 → 食物/材料”的化学路径，并把该路径与太阳能输入及系统集成放在同一张图里讨论，强调先把碳固定为可调度、可储运的化学中间体，再向下游制造扩展的工程思路。这条链条把“资源固定—中间体生成—下游制造”清晰串联起来。

图3. CO₂电还原与福尔摩斯反应机理，以及太阳能驱动的以 CO₂ 为原料的食物生产系统。 a CO₂电还原与福尔摩斯反应路径的机理。 (i) CO₂电还原生成乙醛与甲醛的机理路径。 (ii) 甲醛(1)的坎尼扎罗歧化反应，生成甲醇(2)与甲酸盐(3)。 (iii) 由羟基乙醛(glycolaldehyde，4)自催化的福尔摩斯反应概述。b 可定制的电催化—生物催化串联流动体系示意：用于直接以 CO₂ 实现太阳能驱动的食物生产。 (i) 电催化—生物催化流动体系：CO₂先通过光伏驱动的电催化转化为甲酸盐，随后注入串联生物反应器用于食物生产。 (ii) CO₂转化为 C₆ 糖的合成路径，以 L-山梨糖(L-sorbose)为概念验证。

IV 微藻驱动的水/氧/CO₂循环

如图4所示，文章用微藻系统把生命支持闭环拆解成可工程集成的模块：供氧、CO₂ 转化、以及与水处理/废水净化等环节的耦合，体现生物制造不仅在“合成产物”，也在提供资源循环与再生能力；并进一步指向与电解、Sabatier 等化学过程组合形成更稳健的循环网络。在这里，微藻不只是“生物单元”，更被放进了整个生命支持系统的循环网络之中。

图4. 空间栖居环境中基于微藻的水、氧气与 CO₂ 循环回收系统集成。 a 微藻系统集成于国际空间站(ISS)的环境与生命支持系统中，通过 Sabatier 反应器、电解以及产氧光合作用实现水、氧气与 CO₂ 的循环回收。 b 将来自宇航员的 CO₂、空气及再生水输送至植物，同时将废水、尿液与粪便导入微生物废弃物处理系统。处理后的水回收供宇航员使用，另一部分送至植物以支持其生长。植物产生的氧气、水及成熟蔬菜作为宇航员的食物来源。

V 3D 打印与烧结等增材加工路线

如图5所示，文章系统归纳空间栖居场景下的增材制造与加工路线，包括 3D 打印、烧结等，用以支撑结构件制造、维修与扩展等硬需求。该图把“能做什么结构/用什么工艺/面向什么栖居场景”放到同一张框架里，体现太空制造从实验走向工程应用所需的工艺谱系。从打印到烧结，这里呈现的是一个真正面向“建与修”的在轨工艺工具箱。

图5. 多种 3D 打印与烧结技术及其对应的几何结构。a 完整的 D 型(D-type)打印机，通常称为 3D 打印机。b 太阳能烧结砖。c 采用 SLM 制备的多种几何物体及其微观网格结构。(ⅰ–ⅱ) 不同放大倍数。(ⅲ) 5 mm 螺母。(ⅴ) 网格结构(15 × 15 与 30 × 30 mm)。d LENS 工艺流程与立体光刻 3D 打印示意。(ⅰ) LENS 工艺流程示意。(ⅱ) 立体光刻 3D 打印示意。

VI 制氧、热采与钻采的资源利用链

如图6所示，文章把 ISRU 的关键方法以“路线图”方式展开：从氧提取，到热采、钻采等原位开采手段，再到资源转化与利用环节，呈现“把原位资源转成可用原料”的方法谱系与工程环节。这条通道说明，ISRU 不只是资源获取手段，更是后续制造链条的底层入口。

图6. 氧气提取、热采与钻探技术辅助开挖方法示意图。a 用于氧气提取的地外人工光合作用(Extraterrestrial Artificial Photosynthesis，EAP)示意图。b 热采示意图。c 钻探技术辅助的开挖方法。

VII 月球极区水冰暴露与冷阱分布

如图7所示，文章以月球南北极为例展示水冰暴露与永久阴影区(PSRs)/冷阱分布，强调水作为生命支持与推进剂体系的战略资源，其“在哪里、是否稳定、可否开采”直接决定补给独立性与制造规模的上限。资源位置在这张图里不再是地理信息，而是未来任务选址与制造布局的工程依据。

图7. 月球北极(左)与南极(右)显示冰暴露(黑点)与未显示冰暴露的冷阱(青色圆圈)，并叠加在冰稳定深度图上。

VIII MOXIE 把火星 CO₂ 直接“制氧”

如图8所示，文章以 MOXIE 为代表给出装置级落地案例：MOXIE 通过固体氧化物电解(SOXE)将火星 CO₂ 转化为氧气，并给出关键运行与产出量级(运行温度约 800 ℃；完成 16 次实验；累计产氧约 122 g；产氧速率约 6 g/h)。从原理到样机的跨越在这张图里被“定量化”呈现，也自然引出全文的融合思路：化学制造先把资源转成通用中间体与基础供给，生物制造再面向高附加值产物与闭环循环。MOXIE 与蓝藻这两条路径并列出现，也让“化学—生物”接力式制造更具象。

图8. MOXIE 实验装置与基于蓝藻的 2,3-丁二醇(2,3-BDO)生产。(a) MOXIE 的爆炸视图(分解示意图)。(b) 移除前盖后的 MOXIE，显示压缩机与固体氧化物电解(SOXE)组件。(c) 作为工程化微生物培养的蓝藻(藻类)利用阳光、CO₂ 与水生产 2,3-BDO；蓝藻培养同时释放氧气，可用于航天器发射或火星探索。

IX 外太空化学/生物制造的瓶颈版图

如图9所示，文章将外太空制造的限制项集中归纳：微重力下传质与混合受限、辐射损伤、极端温度波动、能量供给与系统鲁棒性、以及技术成熟度与工程验证链路等。分散在不同场景与路线中的难点，在这里被压缩成同一张“问题清单”，让系统工程约束一目了然。

图9. 太空环境下生物制造与化学制造技术面临的挑战。

X 典型环境下的最新进展总览

如图10所示，文章在末尾以“Recent advances”总览图收束全文，将空间站、月球、火星与小行星等环境下的化学与生物制造进展并列呈现，并把未来趋势落到可工程化的方向：例如通过合成生物学提升体系对极端环境的适应与关键物资自给，通过人工智能实现制造过程的实时监控与参数优化、并用于设备故障预警与维护，从而推动空间制造向更高效率、更高可靠性与可规模化迭代迈进。从“已有突破”到“下一步怎么走”，文章给出了前沿性展望。

图10. 地外环境中化学制造与生物制造的最新进展。

XI 总结

太空制造不再只是“把物资带上去”，而是在轨道、月面、火星乃至小行星上，把补给链逐步改写成生产线：它直接决定任务对地球物资依赖的程度、成本与风险边界，也关系到长期驻留与地外定居能否成立。

围绕这一目标，本文梳理了化学制造与生物制造在不同外太空场景中的“可用能力谱”。在空间站场景，原位制造已经推动食物、氧气与水的部分自给：例如利用微生物发酵获得富蛋白食品以丰富饮食结构，同时结合电解水与生物再生技术实现更稳定的供氧。 进一步面向月球与火星等地外环境，研究正在尝试把“当地资源”直接接入制造端：以月壤与火星风化层作为原料制备建筑材料，并在从月球矿物与火星大气中提取氧、水等关键资源方面取得渐进式进展，为未来月/火基地与长期任务提供资源支撑。

但把“能做”变成“长期稳定地做”，仍被一系列硬约束卡住：强辐射、微重力与极端温差会显著削弱生物资源转化的效率与稳定性；空间资源开采在效率与成本上仍难以满足规模化制造；关键前体与细胞基材料的制备环节尚不成熟，牵制下游扩展；用于长期使用的建材耐久性、安全性与燃料制造的产率/效率/品类也仍不足；同时，废弃物处理与材料循环回收能力、空间食品的营养与口感/多样性，以及微重力实验的发射延迟与流程复杂等，都在拉长从研究到应用的链路。

面向未来，突破口被指向更“系统化”的升级：以生物标志物技术支撑健康监测走向个性化管理，以生物技术实现按需营养合成并提升空间食物供给，同时用更先进的环境与资源循环技术提升宜居性与回收效率；在此基础上，合成生物学(基因编辑与“超级微生物”等)与人工智能(实时监测调控、参数优化、故障预警与维护)被视为推动制造能力跃迁的关键变量。 更长远地看，太空制造的迭代不仅服务深空探索，也会反向为地球资源与环境问题提供新思路，推动“地球—太空”协同进步的技术闭环逐步成形。

作者简介

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2024 JCR IF=36.3，学科排名Q1区前2%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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