“遂古之初，誰傳道之？上下未形，何由考之？”兩千多年前， 大詩人屈原以《天問》向宇宙本源發(fā)出170余個詰問，將華夏文明對日月星辰的求索刻入血脈。千年后，明代火器師萬戶綁箭于身，借火箭反推力沖向蒼穹——雖以生命為代價，卻為人類飛天實踐留下了東方的第一道印記。數(shù)千年來，這份對浩瀚星空的向往從未停歇，如今正化為世界航天事業(yè)的堅實步伐。

每一次邁向深空的嘗試，本質(zhì)上都是對材料和技術(shù)極限的突破。在眾多新興前沿中，液態(tài)金屬正成為破解太空科技瓶頸、拓展宇航探索邊界的一把鑰匙。近日，中國科學院理化技術(shù)研究所液態(tài)金屬與低溫生物醫(yī)學中心團隊應(yīng)Cell出版社旗艦期刊《Cell Press Blue》之邀，發(fā)表了一篇題為 “Liquid Metals for the Booming of Space Explorations”的前瞻性評述，系統(tǒng)構(gòu)畫了液態(tài)金屬在太空領(lǐng)域的科學與技術(shù)全景，深度解析其從本征屬性到新興功能面臨的機遇與挑戰(zhàn)；并提出利用太空微重力環(huán)境作為天然實驗場探索液態(tài)金屬超常規(guī)界面物理化學行為的系列設(shè)想；最后指出：液態(tài)金屬不僅是適配航天場景的通用型功能材料，更是賦能未來太空科技繁榮發(fā)展的變革性載體。論文第一作者為研究生史佳豪，通訊作者為劉靜研究員與張旭東研究員。

從地心文明到星際文明

當前，在人類對宇宙的永恒好奇與地外資源開發(fā)的雙重迫切需求驅(qū)動下，航天活動正迎來從地心文明向星際文明跨越的歷史性節(jié)點（圖1A）。自斯普特尼克一號衛(wèi)星升空以來，七十余年間，人類的足跡已穩(wěn)步拓展至近地軌道、空間站，各種駐留活動及月球、火星探測等也日趨頻繁（圖1B）。如今，近地空間技術(shù)已漸趨成熟，呈現(xiàn)出商業(yè)化、多任務(wù)兼容、成本持續(xù)下降的趨勢——太空數(shù)據(jù)中心、太空互聯(lián)網(wǎng)、太空旅游、在軌太陽能電站等新興場景，正成為這一跨越的鮮明印證。

與之相對，深空探測仍主要處于國家力量主導的研發(fā)攻堅階段，核心聚焦于載人登月、太陽系行星探測以及空間望遠鏡建設(shè)等幾大方向。當前，商業(yè)航天的規(guī)模化發(fā)展與深空探測的深層突破，正構(gòu)成航天技術(shù)迭代的兩大核心驅(qū)動力。隨著航天場景的不斷拓展，新的技術(shù)挑戰(zhàn)也日益涌現(xiàn)：動力推進、輻射防護、超遠距離通信、醫(yī)療保障、在軌維修等關(guān)鍵環(huán)節(jié)，無不面臨近地環(huán)境與深空極端條件的雙重考驗。無論是近地軌道的商業(yè)化開發(fā)，還是以月球基地、火星探測為代表的深空探索，都在朝著高效率、長壽命的方向穩(wěn)步前行。這無疑對航天器材料體系提出了前所未有的苛刻要求，即必須具備極端溫度適應(yīng)性、高運行可靠性、極致輕量化與智能自修復能力。

要突破傳統(tǒng)材料的性能邊界，既需研發(fā)適配深空環(huán)境的新材料體系，更要用好太空這個獨一無二的極端物理實驗室——微重力、高真空、大溫差等極端條件，以期突破重力束縛、發(fā)現(xiàn)新材料、新現(xiàn)象、新規(guī)律。

圖1 太空探索中的液態(tài)金屬科學與應(yīng)用技術(shù)全景

太空環(huán)境的極端性及液態(tài)金屬的獨特優(yōu)勢

太陽系內(nèi)的物理環(huán)境，從中心恒星到系內(nèi)天體，呈現(xiàn)出梯度化的極端特征：極熱與極寒并存、溫度跨度巨大、普遍處于低壓乃至超高真空狀態(tài)（圖1A）。太陽表面溫度高達5778 K，重力加速度達274 m/s2，環(huán)境近乎絕對真空。而液態(tài)金屬（如鎵基、鉍基合金）的沸點范圍在900–2700 K之間，足以耐受此類極端高溫；同時，其室溫下極低的飽和蒸氣壓，能有效避免真空環(huán)境中的蒸發(fā)損耗，為空間核動力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行奠定了材料基礎(chǔ)。

水星晝夜溫差達368 K，極低的大氣壓與無氧真空環(huán)境，恰好消除了液態(tài)金屬氧化降解的核心顧慮——無需額外抗氧化涂層。配合其寬溫域流動性，液態(tài)金屬可支撐航天器熱管理系統(tǒng)在極端晝夜循環(huán)中穩(wěn)定工作。金星表面溫度高達737 K，壓力達9.2×10? Pa，對航天器結(jié)構(gòu)與材料提出嚴酷考驗。液態(tài)金屬的流體特性可完美適配高壓環(huán)境下的形變需求，成為著陸器密封部件與導熱介質(zhì)的理想選擇。

即便在人類深空探索的核心目標——月球與火星上，液態(tài)金屬也展現(xiàn)出無可替代的優(yōu)勢。月球環(huán)境具有高真空、100–390 K晝夜溫差、無氧大氣；火星溫度范圍為134–293 K，同樣處于低壓無氧條件。在此類環(huán)境中，液態(tài)金屬無需額外抗氧化結(jié)構(gòu)。相比傳統(tǒng)流體，其大表面張力可有效防止回路泄漏，低熔點特性保障低溫下的流動性，無氧環(huán)境則從根本上避免氧化雜質(zhì)堵塞回路的風險。這類材料既可用于火星車土壤分析儀的對流冷卻，也可與相變材料結(jié)合，為月球基地提供高效熱能儲存方案。

與傳統(tǒng)流體相比，液態(tài)金屬的多功能物理化學特性與太空環(huán)境的極端要求形成了完美對應(yīng)。其低熔點、高沸點、優(yōu)異的物理性能與熱力學穩(wěn)定性，使其成為高效傳熱介質(zhì)的首選。在微重力環(huán)境下，液態(tài)金屬的行為由高表面張力主導而非重力——地面自由落體實驗已證實其可自發(fā)形成球形構(gòu)型，具備穩(wěn)定的界面動力學特性，這也是在軌流體管理的核心前提。這些特性，配合其優(yōu)異的可電離性，為場發(fā)射電推進系統(tǒng)提供了超越傳統(tǒng)化學途徑的極限的可能。而液態(tài)金屬固有的金屬屬性，更使其相比有機流體形成代際優(yōu)勢：對外場的靈敏響應(yīng)能力可實現(xiàn)自適應(yīng)電磁屏蔽；本征流動性賦予電子器件自愈合能力，顯著提升長期太空任務(wù)的運行可靠性。

除工程應(yīng)用外，液態(tài)金屬在前沿天體物理探索中也展現(xiàn)出極為重要的價值。其高密度、強導電性與可調(diào)流體動力學行為的獨特組合，使其成為下一代引力波探測器、黑洞等極端環(huán)境實驗平臺的理想候選材料。這份價值還延伸至地球物理學領(lǐng)域：地球液態(tài)金屬外核驅(qū)動著整個地磁場，而對液態(tài)金屬的實驗室研究，為人類理解磁流體動力學原理提供了難得的實驗途徑——這一理論框架，正是連接天體物理等離子體與地球電機的核心紐帶。可以說，液態(tài)金屬早已超越功能材料的范疇，成為揭示行星演化與宇宙現(xiàn)象底層機制不可或缺的科研工具。

液態(tài)金屬太空科技范疇

盡管液態(tài)金屬在地面場景已取得豐富的科學發(fā)現(xiàn)與規(guī)模化應(yīng)用，其在太空領(lǐng)域的潛力遠未被充分挖掘。早在20世紀80年代，液態(tài)金屬（以水銀為代表）就已被用作空間核動力系統(tǒng)的傳熱流體，但時至今日，其在航天領(lǐng)域的更多應(yīng)用場景仍處于待開發(fā)階段。作為一大類典型的多功能材料，液態(tài)金屬（如安全可靠的鎵基、鉍基合金等）有望實現(xiàn)航空航天領(lǐng)域的全場景覆蓋，囊括空間能源系統(tǒng)、推進技術(shù)、熱管理、電子學、光學、機器人技術(shù)、生命保障系統(tǒng)等眾多核心方向。而太空的極端環(huán)境——微重力、真空、劇烈溫變等——本身就是研究液態(tài)金屬界面現(xiàn)象的絕佳天然實驗室，有望解鎖更多新奇的科學現(xiàn)象與規(guī)律，進一步深化人類對這類材料的基礎(chǔ)認知與工程應(yīng)用能力。

液態(tài)金屬集高導電/導熱性、優(yōu)異流動性、極低飽和蒸氣壓、大表面張力及自愈合性于一身，完美契合了空間探索對材料“極端環(huán)境適配、智能場響應(yīng)、長周期自主可靠”的核心需求。此篇前瞻性評述系統(tǒng)地從空間能源、深空推進、熱管理、柔性電子、可重構(gòu)機器人、在軌制造、生命支持及空間光學八大前沿領(lǐng)域展開全景式展望（圖2），完整勾勒了液態(tài)金屬在航天領(lǐng)域的發(fā)展方向與應(yīng)用潛力。與此同時，文章特別闡釋了微重力環(huán)境作為揭示液態(tài)金屬界面現(xiàn)象本質(zhì)的天然實驗室的獨特價值——相關(guān)研究不僅將有力推動流體力學、界面化學等基礎(chǔ)學科的發(fā)展，更有望為微重力下多場耦合理論的構(gòu)建提供關(guān)鍵支撐。

圖2 液態(tài)金屬空間科技領(lǐng)域及關(guān)鍵應(yīng)用場景

液態(tài)金屬空間能源

從永久性月球基地建設(shè)到跨行星深空探測，現(xiàn)代空間任務(wù)對功率密度的嚴苛要求，已遠超傳統(tǒng)化學能與太陽能系統(tǒng)的性能極限。液態(tài)金屬能源技術(shù)憑借其高導熱性、超寬工作溫區(qū)以及與無振動電磁泵的優(yōu)異兼容性，為這一行業(yè)痛點提供了高效解決方案，如空間能量捕獲、光伏光熱發(fā)電、遠程電力遞送等。

在太陽能供應(yīng)高度間歇的場景中——如月球永久陰影區(qū)、火星前哨站——核能成為深空任務(wù)不可或缺的核心能源。液態(tài)金屬冷卻的核反應(yīng)堆，相比傳統(tǒng)水冷系統(tǒng)具備獨一無二的優(yōu)勢：冷卻劑同時具有高沸點與非慢化中子特性，既能讓反應(yīng)堆在常壓條件下運行，大幅提升固有安全性，又能提高燃料利用率，并同步實現(xiàn)核廢物嬗變。即便是面向未來深空推進所需的聚變反應(yīng)堆，其面臨的極端高熱通量挑戰(zhàn)，也可通過液態(tài)金屬毛細多孔系統(tǒng)得到解決——為聚變反應(yīng)堆偏濾器靶板提供自修復解決方案。

液態(tài)金屬深空推進

解決了深空任務(wù)的能源供給，航天器的星際遠航同樣離不開精準高效的推進系統(tǒng)。液態(tài)金屬為深空推進技術(shù)的迭代開辟了全新路徑。場發(fā)射電推進系統(tǒng)是一類兼具低推力、高調(diào)節(jié)精度、卓越效率與高比沖的推進器，尤其適用于微納衛(wèi)星的超高精度姿態(tài)控制、編隊飛行與大氣阻力補償?shù)葓鼍啊Ｔ诜圻^程中，加熱后的液態(tài)金屬推進劑經(jīng)毛細作用沿精細表面通道持續(xù)輸送至發(fā)射極尖端，配合提取極與發(fā)射極之間的高壓電場，即可實現(xiàn)穩(wěn)定、精準的推進控制，完美適配深空探測中精細化的軌道調(diào)整需求。

液態(tài)金屬空間熱管理

航天器在軌運行的全周期中，始終置身于極端復雜的熱環(huán)境。整個太陽系內(nèi)，航天器表面溫度跨度可達72 K至737 K（圖3A），這對熱管理系統(tǒng)提出了極致嚴苛的要求，也是保障星載敏感載荷安全運行的核心前提。

在高真空的太空環(huán)境中，自然對流換熱可忽略不計，熱量只能通過傳導或流體輸運至散熱器，最終以熱輻射形式排散。傳統(tǒng)導熱界面材料（如硅脂）存在真空放氣污染光學元件、空間輻照下性能退化等固有缺陷；經(jīng)典對流冷卻工質(zhì)也面臨溫域適配性不足、低溫流動性差等挑戰(zhàn)。而液態(tài)金屬憑借超低飽和蒸氣壓與本征高導熱性，成為該場景下的理想替代品。

高導熱性、本征流動性與極端環(huán)境穩(wěn)定性的結(jié)合，使液態(tài)金屬成為空間熱控領(lǐng)域不可或缺的核心賦能技術(shù)。它既能承受發(fā)射階段的劇烈振動沖擊，也能耐受再入過程中的嚴酷氣動加熱，為下一代空間基礎(chǔ)設(shè)施的長周期可靠運行提供核心支撐。

圖3 液態(tài)金屬太空熱管理應(yīng)用場景及典型技術(shù)路徑

液態(tài)金屬空間電子學

空間電子設(shè)備在軌運行，始終面臨劇烈熱循環(huán)、高能宇宙射線與太陽風強粒子輻照的雙重考驗。傳統(tǒng)剛性器件中，不同材料間的熱膨脹失配會引發(fā)應(yīng)力疲勞，最終導致焊點分層、器件失效；半導體元件也易受高能粒子轟擊，產(chǎn)生晶格缺陷，縮短載流子壽命，造成性能持續(xù)衰退。

液態(tài)金屬優(yōu)秀的導電性與本征流體應(yīng)變適應(yīng)性，為這一行業(yè)痛點提供了變革性解決方案。基于液態(tài)金屬構(gòu)建的電路，既能承受極端機械變形，又可自主修復輻照誘導的缺陷——即便在傳統(tǒng)剛性器件完全失效的極端條件下，仍能保持穩(wěn)定的電氣性能，為空間電子設(shè)備的長壽命運行開辟了全新路徑。

液態(tài)金屬太空機器與先進制造

月球基地建設(shè)、行星探測等深空任務(wù)，亟需適配復雜地形、可執(zhí)行精細化在軌作業(yè)的機器人系統(tǒng)，以及輕量化、低后勤成本的在軌制造能力。傳統(tǒng)剛性機械裝備與地面制造體系，難以滿足深空場景對柔順性、環(huán)境適應(yīng)性與按需制造的核心需求。

基于液態(tài)金屬的軟體機器人技術(shù)，憑借相變剛度可調(diào)、多場驅(qū)動響應(yīng)等核心特性，可實現(xiàn)抓取、移動、多模態(tài)運動等復雜功能，適配地外天體樣本采集、次表層探測等多元場景（圖4A-D）。其配套的液態(tài)金屬增材制造技術(shù)，可突破表面張力限制，實現(xiàn)高精度圖案化與結(jié)構(gòu)制備，為在軌電子器件、結(jié)構(gòu)件的按需打印提供核心支撐，更有望依托地外原位資源完成制造（圖4E-G）。

此外，太空微重力環(huán)境進一步賦予液態(tài)金屬獨特優(yōu)勢——可實現(xiàn)無缺陷單晶半導體、超大孔徑液態(tài)金屬鏡面望遠鏡的原位制備，為空間高端材料制造與大型觀測設(shè)施建設(shè)開辟了新路徑。

圖4 液態(tài)金屬柔性可變形機器及太空增材制造

液態(tài)金屬空間生命保障系統(tǒng)

生命保障系統(tǒng)是宇航員在軌與深空探測任務(wù)中的核心安全屏障。長期在軌任務(wù)面臨宇宙輻照、密閉環(huán)境微生物滋生、地面醫(yī)療支持缺失等多重挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)宇航服與生命保障裝備難以兼顧輕量化、柔性適配與多功能集成的核心需求。

液態(tài)金屬可制備為兼具金屬導電性與流體柔順性的柔性功能材料，完美適配空間生命保障的全場景需求：其制備的柔性導電纖維可實現(xiàn)高效電磁屏蔽，為下一代智能宇航服提供全新概念的舒適輕質(zhì)化輻射防護方案（圖5A）；配套的抗菌涂層可實現(xiàn)密閉環(huán)境長效抑菌；多品類液態(tài)金屬柔性傳感器可完成宇航員生理參數(shù)、宇航服環(huán)境的全維度實時監(jiān)測（圖5B-E）。

同時，液態(tài)金屬可適配深空場景下的自主醫(yī)療需求，應(yīng)用于在軌醫(yī)學成像造影、腫瘤靶向治療、骨折應(yīng)急固定、創(chuàng)傷護理等多元場景，為無地面支持的深空任務(wù)提供全鏈條生命健康保障（圖5F-K）。

圖 5 液態(tài)金屬太空生命支持技術(shù)

太空微重力下未解的液態(tài)金屬基礎(chǔ)科學謎題

如果說工程應(yīng)用是液態(tài)金屬賦能太空探索的落地場景，那么微重力環(huán)境下的基礎(chǔ)科學研究，便是支撐其技術(shù)迭代的底層核心。在地面環(huán)境中，液態(tài)金屬已展現(xiàn)出由表面張力主導的豐富界面行為，但重力始終在液滴沉降、粘附與對流過程中占據(jù)主導——不僅掩蓋了界面行為的內(nèi)在機制，也限制了其動態(tài)特性的完整呈現(xiàn)。例如，鎵基液滴在重力作用下會自發(fā)鋪展粘附，難以觀測到其本征的界面形狀轉(zhuǎn)變（圖6A）。而太空微重力環(huán)境，為消除重力干擾、揭示液態(tài)金屬本征物理化學規(guī)律，提供了地面無法復刻的理想實驗平臺。

圖6 微重力下可能出現(xiàn)的液態(tài)金屬超常規(guī)界面行為

當重力不再是流體運動的主導力，液態(tài)金屬的行為將完全由表面張力及其與電、磁、熱、聲、化學等外場的耦合作用決定。這種力的解耦，使得重構(gòu)地面環(huán)境中受限制的界面行為成為可能：自驅(qū)動過程更高效，變形演化更對稱，界面動力學穩(wěn)定性顯著提升。最典型的潛在例子是，可在無基底限制的條件下實現(xiàn)完全三維的電潤濕操控（圖6B）。同時，微重力環(huán)境還會強化馬蘭戈尼對流、磁流體動力學等地面被掩蓋的效應(yīng)，有望解鎖全新的界面模式與動態(tài)狀態(tài)，開啟表面驅(qū)動的液態(tài)金屬研究新范式。

微重力環(huán)境也為液態(tài)金屬相關(guān)基礎(chǔ)理論的突破提供了核心支撐。地面環(huán)境中常被重力干擾的多相流行為，在微重力下將展現(xiàn)出純粹的界面主導特性，為闡明多相流相間耦合機制創(chuàng)造了絕佳條件。而要實現(xiàn)微重力下液態(tài)金屬動力學的精準建模，必須對經(jīng)典流體力學進行根本性修正——重新定義核心無量綱數(shù)，優(yōu)化潤濕與相變的經(jīng)典模型。這些理論突破，將為太空場景下液態(tài)金屬技術(shù)的工程化應(yīng)用提供底層理論依據(jù)。

此外，微重力下液態(tài)金屬的固-液相變也展現(xiàn)出獨特的界面現(xiàn)象與傳熱機制，為外場主動調(diào)控相變過程提供了理想平臺。盡管地面研究已解鎖了液態(tài)金屬的諸多界面現(xiàn)象，但受重力限制，其底層機制仍未被完全闡明。微重力環(huán)境為解耦重力效應(yīng)、重新審視流體行為的基本規(guī)律提供了變革性條件，有望解鎖地面無法實現(xiàn)的液滴輸運與形態(tài)調(diào)控新模式（圖6C）。未來，結(jié)合在軌實驗與地面模擬的系統(tǒng)性研究，將推動液態(tài)金屬理論與技術(shù)的雙重突破，最終開辟空間材料科學的全新前沿。

無疑，在廣闊的應(yīng)用前景背后，仍存在大量亟待突破的理論與技術(shù)挑戰(zhàn)。材料相容性、長周期在軌穩(wěn)定性、微重力下界面行為的精準控制、規(guī)模化在軌制造等核心問題，尚需通過地面實驗、飛行演示與理論模擬相結(jié)合的系統(tǒng)性研究逐一破解。這離不開材料學、航空航天、基礎(chǔ)物理、化學等多領(lǐng)域跨學科協(xié)作，以及全球科研工作者的攜手努力，以降低探索成本，共同推動液態(tài)金屬太空時代的到來。

回顧與展望

此次應(yīng)邀發(fā)表前瞻性評述，根植于理化所團隊在液態(tài)金屬領(lǐng)域二十余年的持續(xù)深耕與系統(tǒng)創(chuàng)新。本世紀初，團隊開創(chuàng)性提出液態(tài)金屬芯片散熱技術(shù)，并將其拓展至各類高熱流密度芯片應(yīng)用場景；2011年，團隊率先提出全球首個太空數(shù)據(jù)中心概念和技術(shù)原理并申請相關(guān)專利（CN103186179A），為太空算力基礎(chǔ)設(shè)施熱控技術(shù)奠定了早期基礎(chǔ)。

2017年，團隊依托當時世界第一高橋——北盤江大橋開展自由落體試驗，完成了地面模擬微重力環(huán)境下液態(tài)金屬流體行為研究，首次直接觀察到溶液中液態(tài)金屬隨重力消失而呈現(xiàn)出的自發(fā)變形與電控變形現(xiàn)象，為理解微重力流體行為提供了關(guān)鍵實驗依據(jù)。2018年，團隊進一步推動液態(tài)金屬走向太空，搭載“未來號”東風空間實驗艙，由“朱雀一號”商業(yè)火箭發(fā)射升空。盡管因火箭最終未能入軌導致任務(wù)失利，但此次首征太空的嘗試，為后續(xù)在軌實驗積累了寶貴的工程經(jīng)驗。

經(jīng)過數(shù)年精心準備，2023年團隊研制的液態(tài)金屬熱管理試驗裝置隨夢天實驗艙成功升空，在中國空間站圓滿完成了我國首次液態(tài)金屬空間熱管理在軌試驗，全面驗證了鉍基合金受控熔化、對流換熱與多模態(tài)相變控溫等核心技術(shù)，獲取了微重力下液態(tài)金屬的純強迫對流換熱數(shù)據(jù)。這一標志性成果，反映出液態(tài)金屬正式邁入空間在軌應(yīng)用的新階段，也為未來空間核動力電源、深空探測器等大功率裝備的散熱系統(tǒng)設(shè)計提供了核心支撐。2026年，團隊在《制冷學報》第47卷第1期發(fā)表封面論文《太空數(shù)據(jù)中心熱控技術(shù)研究現(xiàn)狀與展望》（圖7），系統(tǒng)總結(jié)了太空數(shù)據(jù)中心的發(fā)展趨勢與技術(shù)需求，明確指出以液態(tài)金屬冷卻為代表的前沿熱控技術(shù)，將在應(yīng)對高算力芯片極端熱流密度挑戰(zhàn)中發(fā)揮不可替代的核心作用。

圖7 《制冷學報》2026首期封面及太空數(shù)據(jù)中心熱控技術(shù)文章

總的說來，隨著人類持續(xù)向月球、火星乃至更遠的深空邁進，液態(tài)金屬正逐步從實驗室的基礎(chǔ)研究對象，轉(zhuǎn)型為支撐航天技術(shù)升級迭代的核心材料。抓住這一時代機遇，破解材料與技術(shù)的核心挑戰(zhàn)，液態(tài)金屬有望成為下一波太空探索浪潮中的關(guān)鍵材料，助力人類實現(xiàn)更安全、更高效、適應(yīng)性更強的星際探索任務(wù)——在浩瀚宇宙中，續(xù)寫屬于新時代的問天傳奇。

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https://www.cell.com/cell-press-blue/fulltext/S3051-3839(26)00009-5